DE69814318T2

DE69814318T2 - Festelektrolyt mit innerer Referenzkammer und Elektroden auf Innen- und Aussenflächen

Info

Publication number: DE69814318T2
Application number: DE69814318T
Authority: DE
Inventors: Tooru Kariya-city Aichi-pref. Katafuchi; Kiyomi Kariya-city Aichi-pref. Kobayashi; Namitsugu Kariya-city Aichi-pref. Fujii; Hiromi Kariya-city Aichi-pref. Sano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: EP0924515B1; DE69814318D1; US6354134B1; EP0924515A2; EP0924515A3; EP1195602A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sauerstoff-Meßelement, das mit einem Heizelement ausgerüstet ist, das vorzugsweise in einem Verbrennungsmotor installiert wird, um die Konzentration des Sauerstoffgases zu bestimmen, das in den Abgasen enthalten ist und ein Luft-Treibstoff Verhältnis des Verbrennungsmotors zu kontrollieren. Um das Luft-Treibstoff Verhältnis von Verbrennungsmotoren zu kontrollieren, weisen sie Sauerstoff-Meßelemente auf, die in ihren Abgaskanälen angeordnet sind.
Zum Beispiel weist ein übliches Sauerstoff-Meßelement einen Säulen-förmigen Festelektrolytkörper auf, der einen inneren Raum aufweist, der als Referenzkammer dient, eine Meßelektrode, die auf einer äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, um exponiert zu sein, um Gas zu messen und eine Referenzelektrode, die an der inneren Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist. Die Meßelektrode und die Referenzelektrode können sich über die gesamte oder Teile auf der inneren und äußeren Oberflächen des Festelektrolytkörpers erstrecken (ungeprüfte japanische Patenanmeldung Nr. SHO 58-73857).
Des weiteren wird ein elektrisches Heizelement in der Referenzkammer angeordnet. Diese Art von Sauerstoff-Meßelement arbeitet nicht richtig bis seine Temperatur ein vorbestimmtes Temperaturniveau erreicht hat. Daher ist das Heizelement üblicherweise so ausgerüstet, um rasch die Temperatur des Sauerstoff-Meßelements zu erhöhen, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, um dadurch eine deaktivierte Zeitdauer zu reduzieren und die Sauerstoffkonzentration korrekt zu messen.
JP8122297 offenbart ein Sauerstoff-Meßelement, das einen verlängerten Säulen-förmigen Festelektrolytkörper, eine Ring-förmige Meßelektrode auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers und einen Heizstab aufweist, der im Inneren des Säulen-förmigen Festelektrolytkörpers angeordnet ist. Eine Ring-förmige Schicht mit einer hohen Abgabefähigkeit wird auf der äußeren Oberfläche des Heizstabs zur Verfügung gestellt. Die axialen Positionen der Ring-förmigen Meßelektrode und der Ring-förmigen Schicht mit hoher Abgabefähigkeit werden derart gewählt, dass sie einander gegenüber angeordnet sind. Die axiale Ausdehnung der Elektrode ist geringer als die axiale Ausdehnung der Schicht mit hoher Abgabefähigkeit. Die Meßelektrode wird durch chemisches Plattieren gemacht.
Die nachveröffentlichte EP 809 101 offenbart ein Sauerstoff-Meßelement wie es in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
EP 125069 und EP 809 101 offenbaren auch vielschichtige Sauerstoff-Meßelemente, die Platten-förmige Festelektrolytkörper aufweisen.
Jedoch weist diese Art von üblichen Sauerstoff-Meßelement die folgenden Probleme auf.
Die äußere Oberfläche des Sauerstoff-Meßelements weist einen Gas aufnehmenden Oberflächenbereich auf, der sich vom distalen Ende des Meßelements zu einer Position erstreckt, die durch einen Abstand L vom distalen Ende des Meßelements beabstandet ist. Der Gas empfangende Oberflächenbereich wird dem Meßgas ausgesetzt, dessen Temperatur auf ein höheres Temperaturniveau, während des Betriebs des Meßelements, ansteigt.
Wenn die Meßelektrode und die Referenzelektrode auf den gesamten äußeren und inneren Oberflächen des Festelektrolytkörpers gebildet werden; produziert das Sauerstoff-Meßelement ein Sensorsignal äquivalent zu einer verbundenen Ausgabe von einer Vielzahl an elektrischen Kreisen, die aufeinanderfolgend von einer Sektion der hohen Temperatur bis zu eine Sektion der niedrigen Temperatur entlang einer gesamten Oberfläche des Festelektrolytkörper angeordnet sind. Falls das Sauerstoff-Meßelement einen Bereich an niedriger Temperatur aufweist, wird seine Sensorausgabe und Empfindlichkeit aufgrund der unzureichenden Aktivierung in einem Bereich der niedrigen Temperatur beeinträchtigt.
Des weiteren können ähnliche Probleme entstehen, selbst wenn die Meßelektrode und die Referenzelektrode zum Teil auf den äußeren und der inneren Oberflächen des Festelektrolytkörpers gebildet werden. Zum Beispiel, wenn diese Elektroden in einem Bereich der niedrigen Temperatur angeordnet sind, wird der Sensor eine ungenaue Sensorausgabe aufgrund der unzureichenden Aktivierung in einem Bereich der niedrigen Temperatur produzieren.
Die Sauerstoff-Meßelemente, wenn sie in dem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors installiert sind, sollen eine genaue Sensorausgabe innerhalb einer kurzen Zeitdauer nachdem der Verbrennungsmotor seine Betrieb aufnimmt, produzieren. Um dieses Anforderung zu erfüllen, müssen die Sauerstoff-Meßelement innerhalb einer kurzen Totzeit richtig arbeiten, was für das Heizelement verlangt wird, um die Temperatur des Festelektrolytkörper auf ein vorbestimmtes aktives Niveau zu steigern. Diese Anforderungen waren schwierige Ziele, um sie mit üblichen Sauerstoff-Meßelementen zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die üblichen Probleme hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Sauerstoff-Meßelement, das schnell bei der Aktivierung und ausgezeichnet in der Empfindlichkeit ist, zur Verfügung zu stellen.
Um diese und verwandte Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Sauerstoff-Meßelement, wie in Anspruch 1 definiert, zur Verfügung.
Falls die Länge L1 weniger als 0,2L ist, wird die Meßelektrode auf Grund der Hitze von hoher Temperatur schrumpfen und es kann ein Brechen verursacht werden. Die Sensorausgabe und die Empfindlichkeit wird erniedrigt werden.
Das obere Limit der Länge L1 beträgt 0,8L. Falls die Länge L1 0,8L überschreitet, kann die Sensor-Empfindlichkeit beeinträchtigt werden.
Falls die Dicke der Meßelektrode geringer als 0,5 μm ist, wird die Meßelektrode auf Grund der Hitze von hoher Temperatur schrumpfen und es kann ein Brechen verursacht werden. Falls die Dicke größer als 3,0 μm ist, wird das Sauerstoffgas nicht gut in die Meßelektrode diffundieren und penetrieren. Daher wird die Sensor-Empfindlichkeit verschlechtert werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Sauerstoff-Meßelement, ist die Länge L1 der Meßelektrode gleich oder größer als 0,2L. Diese Anordnung stellt eine Meßelektrode zur Verfügung, die eine ausreichende Fläche aufweist, um ein unerwünschtes thermisches Schrumpfen zu verhindern, selbst wenn es einem Gas mit hoher Temperatur für eine lange Zeit unterworfen wird. Das Brechen der Meßelektrode kann verhindert werden. Daher wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zur Verfügung zu stellen, das eine ausgezeichnete thermische Haltbarkeit aufweist.
Die Meßelektrode ist insgesamt in dem Bereich angeordnet, der sich vom distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements zu der Position erstreckt, die durch die Distanz 0,8L weg vom distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements beabstandet ist, wenn "L" die Länge des Gas empfangenden Oberflächenbereichs wiedergibt, wo der Festelektrolytkörper dem Meßgas ausgesetzt wird.
Im allgemeinen wird das Sauerstoff-Meßelement in einem Sauerstoffsensor angeordnet. Der Sauerstoffsensor weist einen Bereich auf, der dem Meßgas ausgesetzt wird und ein Teil wird dem Referenzgas ausgesetzt. Eine metallische Verpackung wird zur Verfügung gestellt, um die Begrenzung zwischen ihnen abzudichten, wenn das Sauerstoff-Meßelement installiert wird. Die metallische Verpackung grenzt an den Rand des Gas empfangenden Oberflächenbereich auf dem Sauerstoff-Meßelement und verhindert, dass Meßgas sich hinter diesen Randbereich verflüchtigen.
Meßgas fließt mit einer reduzierten Geschwindigkeit in einen Bereich, der die 0,8L Position aufgrund der Anwesenheit der Metallverpackung übersteigt. Falls die Meßelektrode in diesem Bereich zur Verfügung gestellt wird, wird die Sensorausgabe beeinträchtigt.
Demgemäß wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zu erhalten, das eine befriedigende Empfindlichkeit aufweist, indem die Meßelektrode in dem Bereich zur Verfügung gestellt wird, der nicht die 0,8L Position übersteigt. In diesem Fall ist die 0,8L Position in dem gewünschten Bereich für die Meßelektrode eingeschlossen.
Des weiteren weist erfindungsgemäß die Meßelektrode die Dicke von 0,5–3,0 μm auf. Diese Anordnung macht es möglich, dass das Meßgas gut in die Meßelektrode eindiffundiert und eindringt. Daher ist es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zu erhalten, das eine ausgezeichnet Empfindlichkeit aufweist.
Gemäß der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung, wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement mit einer ausgezeichneten Empfindlichkeit und thermischen Haltbarkeit zur Verfügung zu stellen.
Das erfindungsgemäße Sauerstoff-Meßelement ist für einen Sauerstoffsensor vom Typ der Sauerstoffkonzentrationszell oder einen Sauerstoffsensor vom Strom begrenzenden Typ verwendbar. Die Meßelektrode kann eine Elektrode sein, die an dem Bereich des distalen Endes des Sauerstoff-Meßelements (bezugnehmend auf 19) gebildet ist oder, alternativ, kann eine Ringelektrode sein, die entlang der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers, mit Ausnahme des distalen Endes (bezugnehmend auf 30) gebildet wird. Des weiteren kann die Ringelektrode durch eine teilweise bereitgestellte Elektrode (bezugnehmend auf die, 31A und 31B) ersetzt werden.
Die Meßelektrode und die Referenzelektrode sind mit Endbereichen über Leitungsbereiche verbunden, um Meß- und Empfindlichkeitssignale nach Außen zu übertragen.
Jede Elektrode und die verbundenen Leitungs- und Endbereiche können in einem Stück hergestellt werden. Die Referenzelektrode und die verbundenen Leitungs- und Endbereiche können mittels chemischen Plattieren, Pastendrucken, Sputtering oder Bedampfen hergestellt werden. Die Meßelektrode und die verbundenen Leitungs- und Endbereiche können in der gleichen Weise hergestellt werden, indem das gleiche Verfahren verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Meßelektrode eine Edelmetallelektrode ist, die zumindest ein Edelmetall einschließt, das katalytische Aktivität aufweist, zum Beispiel ausgewählt aus der Gruppe, die aus Pt, Pd, Au und Rh besteht.
Es ist bevorzugt, dass der Leitungsbereich der Meßelektrode und der Leitungsbereich der Referenzelektrode nicht in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet sind (bezugnehmend auf 20B ). Mit dieser. Anordnung wird es möglich einen Leitungsbereich von niedriger Temperatur zu verhindern, der einen nachteiligen Einfluß auf die Sensorausgabe nimmt, um dadurch die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern.
Es ist bevorzugt, dass der Gas empfangende Oberflächenbereich mit einer einzelnen Schicht oder einer Vielzahl an Schichten bedeckt ist, so dass der Gas empfangende Oberflächenbereich direkt dem Meßgas ausgesetzt wird.
Wie aus der später beschriebenen 23 verständlich wird, ist die zentrale Position des die Wärme erzeugenden Bereichs ein Höchsttemperaturbereich. Die Anordnung der Meßelektrode in der Position gegenüber der zentralen Position des Heizelements ist effektiv, um die Heizeffizienz und die Empfindlichkeit des Heizelements zu steigern.
Falls der die Wärme erzeugende Bereich die Beziehung 1,0 ≤ L1/L2 ≤ 4,0 erfüllt, wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zur Verfügung zu stellen, das ausgezeichnet bei der Empfindlichkeit und der thermischen Haltbarkeit ist.
Falls das Verhältnis L1/L2 geringer als 1,0 ist, kann die Meßelektrode schrumpfen, wenn sie einer Umgebung von hoher Temperatur ausgesetzt wird, die durch das Heizelement erwärmt wird.
Auf der anderen Seite, falls das Verhältnis L1/L2 größer als 4,0 wird, wird die Temperaturverteilung in der Längsrichtung der Meßelektrode eine große Temperaturdifferenz aufweisen, aufgrund der Anwesenheit eines Bereichs von niedriger Temperatur. Der Bereich von niedriger Temperatur hat einen nachteiligen Einfluß auf die Sensorausgabe und beeinträchtigt die Empfindlichkeit.
Das Heizelement weist einen Stabkörper auf.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass der Bereich, der Wärme erzeugt, eine Länge L2 in dem Bereich von 3–12 mm aufweist.
Mit dieser Anordnung kann die erzeugte Wärme effektiv an den distalen Endbereich des Sauerstoff-Meßelements übertragen werden. Falls das Sauerstoff-Meßelement verwendet wird, um die Sauerstoffkonzentration in dem Abgaskanal eines Autos zu detektieren, kann die Totzeit des Sauerstoffsensors verkürzt werden. In diesem Fall ist die Totzeit eine Zeitdauer, die erforderlich ist, um das Sauerstoff-Meßelement zu aktivieren, bis das Sauerstoff-Meßelement richtig arbeitet, nachdem der Motor gestartet worden ist.
Falls die Länge L2 geringer als 3 mm ist, wird das Widerstandselement entsprechend kurz. Demgemäß wird das Widerstandselement einen unzureichenden Widerstandswert aufweisen. Die erzeugte Wärme wird unzureichend sein.
Auf der anderen Seite, falls die Länge L2 größer als 12 mm ist, wird eine lange Zeit benötigt, um die Temperatur des Heizelements zu steigern. Mit anderen Worten ist die Aktivierungszeit lang. Die Aktivierungszeit ist eine Zeitdauer für das Sauerstoff-Meßelement, die erforderlich ist, um eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur von einer üblichen Temperatur aus zu erreichen. Das Sauerstoff-Meßelement kann nur richtig arbeiten, wenn die Temperatur die Aktivierungstemperatur übersteigt.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass die Länge L des Oberflächenbereichs, der Gas empfängt, in dem Bereich von 15– 30 mm liegt. Mit dieser Anordnung wird es möglich die Temperaturen der benachbarter Metallteile zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, wenn der Sauerstoffsensor in einem Automobil installiert ist.
Wie oben beschriebenen, wird das Sauerstoff-Meßelement als Komponente eines Sauerstoffsensors verwendet. Der Innnenraum des Sauerstoffsensors ist in einen Bereich getrennt, indem das Meßgas fließt und einen Teil, in dem Luft als Referenzgas fließt. Die Grenze zwischen den zwei Bereichen ist abgedichtet. Der abgedichtete Teil grenzt an den Rand des Oberflächenbereich, der Gas aufnimmt.
Falls die Länge L des Oberflächenbereichs, der das Gas aufnimmt, geringer als 15 mm ist, wird der abgedichtete Bereich nahe an dem die Wärme erzeugenden Bereich angeordnet. Die Temperatur des abgedichteten Bereichs wird auf einen höheren Wert gesteigert werden.
Im allgemeinen ist die Dichtung des Sauerstoff-Meßelements eine Anordnung von metallischen Elementen, die elastisch deformierbar sind. Daher gibt es die Möglichkeit, dass der abgedichtete Bereich beeinträchtigt werden kann, wenn die Umgebungstemperatur des abgedichteten Bereichs die Haltbarkeitsgrenze der metallischen Elemente übersteigt. Das Meßgas wird mit dem Referenzgas gemischt werden, was die Detektion der Sauerstoffkonzentration ungenau macht.
Auf der anderen Seite, falls die Länge L größer als 30 mm ist, werden vergrößerte Abdeckungen benötigt werden, um die Sauerstoff-Meßelement (bezugnehmend auf 23) zu bedecken. Der Sauerstoffsensor von großer Größe ist nicht erwünscht, wenn der Installationsraum beschränkt ist.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass die Meßelektrode mittels chemischen Plattierens hergestellt wird.
Die Meßelektrode, die durch chemisches Plattieren hergestellt wird, weist eine ausgezeichnete Empfindlichkeit auf. Gemäß dem chemischen Plattieren wird der Plattierfilm bei einer niedrigen Temperatur gesintert. Dies ist effektiv, um eine Elektrode zu bilden, die eine hohe Oberflächenenergie und eine ausgezeichnete katalytische Aktivität aufweist.
Im allgemeinen weist die Elektrode, die durch chemisches Plattieren hergestellt wird, unzählige feine Poren auf, die die Diffusionsfähigkeit des Sauerstoffgases verbessern.
Es ist bevorzugt, einen Edelmetallkern eines vorbestimmten Musters auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytelements, vor dem chemischen Plattieren, zu bilden. Der Edelmetallkern wird in der folgenden Weise gebildet. Eine organometallische Paste, die ein Edelmetall enthält, wird in ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers gedruckt. Darauffolgend wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um das Bindemittel zu entfernen und das Edelmetall, das organisches Metall enthält, zu zersetzen, wodurch der Edelmetallkern gebildet wird, indem das Edelmetall auf der Oberfläche abgeschieden wird.
Dann wird das chemische Plattieren auf dem Festelektrolytkörper durchgeführt, um eine Elektrode zu bilden, die das gleiche Muster aufweist wie das des Edelmetallkerns. Gemäß diesem Verfahren kann eine komplizierte Meßelektrode leicht gebildet werden.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass die Referenzelektrode und die Meßelektrode in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem Festelektrolytkörper stehen. Mit dieser Anordnung wird es möglich zu verhindern, dass die Elektrode, die teure Edelmetalle enthält, unnötiger Weise geweitet wird, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass ein Abstand von 0,05–1,0 mm zwischen dem Heizelement und der inneren Oberfläche des Sauerstoff-Meßelements in einer Längsposition korrespondierend zu der Meßelektrode vorhanden ist.
Mit dieser Anordnung kann der Festelektrolytkörper effektiv mit dem Heizelement beheizt werden.
Falls der Abstand größer als 1,0 mm ist, wird erzeugte Wärme nicht effektiv zu dem Festelektrolytkörper aufgrund der Konvektion übertragen, die in dem geweiteten Raum zwischen dem Festelektrolytkörper und dem Heizelement verursacht wird.
Auf der anderen Seite, falls der Abstand weniger als 0,05 mm beträgt, wird das Diffusionsvermögen des Sauerstoffgases verschlechtert werden. Die Sensorausgabe wird aufgrund dem Fehlen von Sauerstoff abnehmen.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass das Sauerstoff-Meßelement ein vielschichtiges Meßelement ist und das Heizelement und der Festelektrolytkörper akkumulierte Schichten des vielschichtigen Meßelements sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher von der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollen, wobei
1 ist eine Seitenansicht, die ein Sauerstoff-Meßelement in Übereinstimmung mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
2 ist eine senkrechte Schnittansicht, die ein Sauerstoff-Meßelement in Übereinstimmung mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Seitenansicht, die einen Festelektrolytkörper in Übereinstimmung mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
4A ist eine senkrechte Schnittansicht, die den Festelektrolytkörper entlang einer Linie A-A, die in 3 gezeigt wird, zeigt und 4B ist eine Querschnittansicht, die den Festelektrolytkörper, entlang einer Linie B-B, die in
3 gezeigt wird, zeigt.
5 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung des Sauerstoff-Meßelements in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines modifizierten Sauerstoff-Meßelements in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Schnittansicht, die einen Sauerstoffsensor in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, das das Profil des Temperaturanstiegs des Sauerstoff-Meßelements in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung des Sauerstoff-Meßelements zeigt, die gemessen wird, nachdem die Temperatur stabilisiert worden ist.
10 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines modifizierten Sauerstoff-Meßelements mit einer Schutzschicht in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
11 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines modifizierten Sauerstoff-Meßelements mit zwei Schutzschichten in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
12 ist eine Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines modifizierten Sauerstoff-Meßelements mit drei Schutzschichten in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
13 ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement mit einem verlängerten Oberflächenbereich, der Gas empfängt, in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
14 ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement mit einer Kurzmeßelektrode zeigt, die nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.
15 ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement mit einer Meßelektrode zeigt, die nicht am distalen Ende in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildet ist.
16A ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement mit einer Meßelektrode zeigt, die teilweise in Umfangsrichtung in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildet ist und 16B ist eine Schnittansicht entlang eine Linie C-C der 16A
17 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement mit konischen Bereichen an den Verbindungsteilen zwischen den Elektroden zeigt, die auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildet ist.
18 ist eine vertikale Schnittansicht eines anderen Sauerstoff-Meßelements in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, worin eine Referenzelektrode vollständig auf der inneren Oberfläche eines Festelektrolytkörpers gebildet ist;
19 ist eine Schnittansicht, die ein Sauerstoff-Meßelement zeigt, das einen Festelektrolytkörper und eine Meßelektrode in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist.
20A ist eine vertikale Schnittansicht, die das Sauerstoff-Meßelement zeigt, das den Festelektrolytkörper, die Meßelektrode und eine Referenzelektrode entlang einer Linie E-E aufweist, die in 19 gezeigt wird.
20B ist eine Querschnittansicht, die den Festelektrolytkörper, die Meßelektrode und die Referenzelektrode entlang einer Linie E-E, die in 19 gezeigt wird, zeigt.
21 ist eine vertikale Schnittansicht, die ein Lageverhältnis zwischen einem Heizelement und dem Festelektrolytkörper in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
22 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht, die eine Schutzschicht in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
23 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Gesamtanordnung eines Sauerstoffsensors, der ein Sauerstoff-Meßelement in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist, zeigt.
24 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung entlang eines Oberflächenbereichs, der Gas empfängt, auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers in Relation zu einem Abstand von der Elementspitze zeigt.
25A und 25B sind Ansichten, die ein Terminal zeigen, das mit einer Referenzelektrode verbunden ist, die auf einer inneren Oberfläche des Sauerstoff-Meßelements in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildet ist, zeigt;
26 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen der Sensorausgabe und dem Verhältnis L1/L2 zeigt, das vor und nach einem thermischen Haltbarkeitstest in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform beobachtet wird.
27 ist ein Diagramm, das eine Verhältnis zwischen der Sensorausgabe und dem Verhältnis L1/L2 in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
28 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines anderen Sauerstoff-Meßelements, das zwei Schutzschichten in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist, zeigt.
29 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht, die eine wesentliche Anordnung eines anderen Sauerstoff-Meßelements, das drei Schutzschichten in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist, zeigt.
30 zeigt eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement zeigt, das eine Ringmeßelektrode in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist.
31A ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement zeigt, das eine Meßelektrode aufweist, die teilweise auf einer Seitenoberfläche in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildet ist und 31B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie F-F der 31A.
32A ist eine Seitenansicht, die ein anderes Sauerstoff-Meßelement zeigt, das ein plattenartiges Heizelement in Übereinstimmung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist und 32B ist eine Querschnittansicht, die das gleiche zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegende Erfindung werden hierin später unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen erklärt. Identische Teile werden mit den gleichen Bezugszeichen über die Ansichten bezeichnet.
Erste Ausführungsform
Ein Sauerstoffsensor einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird unter Bezug auf die 1 bis 12 erklärt werden.
Wie in den 1 bis 5 gezeigt, weist ein Sauerstoffsensorelement 1 der ersten Ausführungsform einen Säulen-förmigen Festelektrolytkörper 10, der ein Ende verschlossen hat und einen inneren Raum aufweist, der als Referenzgaskammer 18 dient, eine Meßelektrode 11, die auf der äußeren Oberfläche 101 des Festelektrolytkörper 10 zur Verfügung gestellt wird, um sie so dem Meßgas auszusetzen, eine Referenzelektrode 12, die auf einer inneren Oberfläche 102 des Festelektrolytkörper 10 zur Verfügung gestellt wird und ein Heizelement 19 auf, das in der Referenzgaskammer 18 angeordent ist.
5 zeigt einen Kontaktbereich 100, der einen Bereich aufweist, in dem das Heizelement 19 in Kontakt mit der inneren Oberfläche 102 des Festelektrolytkörper 10 und einen gegenüberliegenden Bereich auf der äußeren Oberfläche 101 des Festelektrolytkörper 10 gebracht wird. Die Meßelektrode 11 schließt zumindest einen Teil des Kontaktbereichs 100 ein.
Wie in den 1, 2 und 5 gezeigt, weist das Sauerstoff-Meßelement 1 eine äußere Oberfläche (d. h. 101) auf, die einen Bereich 13 einschließt, der Gas aufnimmt, wobei er dem Meßgas ausgesetzt wird, wenn der Sauerstoffsensor arbeitet. Der Oberflächenbereich 13, der Gas aufnimmt, erstreckt sich von einer Elementspitze 14 (d. h. ein distales Ende des Sauerstoff-Meßelements 1) zu einer Position, die durch einen Abstand L von der Elementspitze 14 -beabstandet ist. Der Kontaktbereich 100 ist in einem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 14 zu einer Position erstreckt, die durch einen Abstand 0,4L weg von der Elementspitze 14 beabstandet ist.
Eine detaillierte Anordnung des Sauerstoffsensorelements 1 der ersten Ausführungsform wird hierin später erklärt werden.
Wie in den 1 bis 4 erstreckt sich eine äußere Leitungselektrode 111 auf der äußeren Oberfläche 101 des Festelektrolytkörpers 10, um ein Meßsignal von der Meßelektrode 11 zu einer äußeren Endelektrode 112 zu übertragen. Eine innere Leitungselektrode 121 erstreckt sich auf der inneren Oberfläche 102 des Festelektrolytkörpers 10, um ein Referenzsignal von der Referenzelektrode 11 zu einer inneren Endelektrode 122 zu übertragen.
Das Heizelement 19, das einen Stabkörper aufweist, ist in der Referenzgaskammer 18 angeordnet. Das Heizelement 19 versorgt ein Widerstandselement 190, das Wärme in Antwort auf die angelegte elektrische Energie erzeugt.
Der Festelektrolytkörper 10 ist aus ZrO2 gemacht, das ein Sauerstoffionen leitendes Material ist.
Gemäß dieser Ausführungsform weist der Oberflächenbereich 13, der Gas aufnimmt, des Festelektrolytkörpers 10, der in 1 gezeigt wird, eine axiale Länge von 18 mm (d. h. L = 18 mm) auf. Die Meßelektrode 11 wird in einem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 14 zu einer Positon erstreckt, die 0,56L (= 10mm) weg von der Elementspitze 14 beabstandet ist.
Die Meßelektrode 11 und die Referenzelektrode 12 sind in einem gegenüberliegenden Verhältnis über den Festelektrolytkörper 10, wie in 5 gezeigt, angeordnet. Die Referenzelektrode 12 ist leicht kürzer als die Meßelektrode 11. 6 zeigt eine modifizierte Anordnung dieser Ausführungsform, worin die Referenzelektrode 12 länger als die Meßelektrode 11 ist.
Wie in den 1 und 4A gezeigt, weist die äußere Leitungselektrode 111 und die innere Leitungselektrode 121 eine Umfangsweite W von 1,5 mm auf. Die äußeren und die inneren Endelektroden 112 und 122 dienen als Signalausgabebereiche zur Übermittlung der Signale von der äußeren und inneren Leitungselektrode 111 und 121 zur Außenseite. Spezieller die äußeren und die inneren Endelektroden 112 und 122 sind mit den Enden 681 und 682 des Sauerstoffsensors 6 verbunden, was später im Detail erklärt werden wird.
Wie in den 1 und 4A gezeigt, sind die äußere Endelektrode 112 und die innere Leitungselektrode 122 rechteckig, die eine Umfangsweite "x (= 7 mm)"und eine axiale Länge "Y (= 5 mm) aufweist. Die Weite "x" kann identisch mit der äußeren und inneren Leitungselektrode 111 und 121 sein.
Wie in 4B werden zwei äußere Leitungselektroden 111 an entgegengesetzten Positionen auf der äußeren Oberfläche 101 zur Verfügung gestellt, während zwei innere Leitungselektroden 121 an gegenüber liegenden Positionen auf der inneren Oberfläche 102 zur Verfügung gestellt werden. Eine Gesamtheit von vier Leitungselektroden 111 und 112 werden wechselseitig mit Winkelintervallen von 90° beabstandet.
Das Heizelement 19 ist aus Al₂O₃, Si₃N₄ oder ähnlichem gemacht.
Wie in 2 gezeigt, weist das Wärme erzeugende Widerstandselement 190 eine Längslänge von 7,00 mm mit seinem unteren Ende auf, der vom unterem Ende des Heizelements 19 durch einen Abstand 1,0 mm beabstandet ist. Ein bevorzugtes Material für das die Wäre erzeugende Widerstandselement 190 ist W-Re, Pt oder ähnliches.
Das obere Ende des Wärme erzeugenden Widerstandselements 190 ist auf einem Niveau äquivalent zu der Position angeordnet, die von der Elementspitze 14 durch einen Abstand 0,56L (=10 mm) beabstandet ist.
Das Heizelement 19 weist ein Kernelement und ein Al₂O₃ Keramikblatt auf, das um den Kern gewunden ist. Das Wärme erzeugende Widerstandselement 190 wird an der Rückseite des Al₂O₃ Keramikblatts angeordent.
Es ist möglich ein vielschichtiges Heizelement zu verwenden, das ein rechteckiges Al₂O₃ Substrat und ein Beschichtungssubstrat aufweist, das darauf akkumuliert ist.
Wie in 5 gezeigt, schließt der Kontaktbereich 100 den inneren Punkt "Pi" ein, wo das Heizelement 19 in Kontakt mit der inneren Oberfläche 102 des Festelektrolytkörpers 10 und dem äußeren Punkt "Po" gebracht wird, der dem inneren Punkt "A" über dem Festelektrolytkörper 10 gegenüber liegt, zusammen mit dem Nachbarbereich, der die Nähe von diesen Punkten "Pi" und "Po" einschließt. Die Meßelektrode 11 schließt den äußeren Punkt "Po" des Kontaktbereich 100 ein. Der innere Punkt "Pi" wird auf einem höheren Niveau als die Elementspitze 14 durch einen Abstand 0,11L (= 2,0 mm) beabstandet angebracht.
Die Meßelektrode 11 wird in der folgenden Weise hergestellt.
Eine Paste wird auf die äußere Oberfläche 101 des Festelektrolytkörpers 10 durch Tampondrucken (pad printing) gedruckt, um so ein gedrucktes Muster zu bilden, das zu der Meßelektrode 11, der äußeren Leitungselektrode 111, der äußeren Endelektrode 112 korrespondiert. Diese Paste enthält Di-benzylidenplatin mit einem Gehalt an Edelmetall von 0,4 Gew.%. Als nächstes wird die gedruckte Paste mit Wärme behandelt, um einen Pt-Kern zu bilden.
Dann wird chemisches Plattieren auf den Pt-Kern angewendet, um die Elektroden (d. h. Meßelektrode 11 und andere) zu bilden, wobei sie eine Dicke von 1 μm aufweisen.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die äußere Leitungselektrode 111 und die äußere Endelektrode 112 gleichzeitig zusammen mit der Meßelektrode 11 durch chemisches Plattieren gebildet. Jedoch kann die äußere Leitungselektrode 111 eine Pastenelektrode (paste electrode) sein.
Die Referenzelektrode 12 wird in der folgenden Weise hergestellt.
Eine Abfüllvorichtung, die mit einer organometallischen Paste gefüllt ist, die ein Edelmetall oder eine Paste enthält, die ein Edelmetall enthält, wird hergestellt, um ihre Düse in die Referenzgaskammer einzuführen. Die Düse bewegt sich entlang der inneren Oberfläche 102 in der rauf und runter Richtung und dreht sich um eine Achse, um ein gedrucktes Muster der Paste zu bilden, die zu der Referenzelektrode 12, der inneren Leitungselektrode 121 und der inneren Endelektrode 122 korrespondiert.
Falls das Edelmetall, das eine organometallische Paste enthält, angewendet wird, wird das Plattieren nach der Beendigung der Wärmebehandlung durchgeführt. Auf der anderen Seite wird die Edelmetallpaste direkt gesintert. So wird die Referenzelektrode 12 erhalten.
Es ist möglich ein poröses Element, wie ein Schaumelement an dem Spitzenende der Abfüllvorrichtung zu befestigen.
Als nächstes wird eine detaillierte Anordnung des Sauerstoffsensors 6, der mit dem Sauerstoff-Meßelement 1 ausgerüstet ist, erklärt werden.
Wie in 7 gezeigt, weist der Sauerstoffsensor 6 ein Gehäuse 60 und Sauerstoff-Meßelement 1 auf, das in dem Gehäuse 60 untergebracht ist. Eine Meßgaskammer 63 wird unter dem Gehäuse 60 angeordnet. Eine doppelschichtige Bedeckung 630 umgibt den Bereich des Spitzenendes des Sauerstoff-Meßelements 1. Dreistufen Bedeckungen 61, 62 und 63 sind aufeinanderfolgende über dem Gehäuse 60 angeordnet.
Die Referenzgaskammer 18 des Sauerstoff-Meßelements 1 stellt dem Stabheizelement 19 einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Heizelement 19 und der inneren Oberfläche 102 zur Verfügung.
Eine Vielzahl von Leitungen 691–693 erstreckt sich aufwärts durch ein elastisches isolierendes Element 69, das an dem oberen Ende der Bedeckungen 62 und 63 bereitgestellt wird. Die Leitungen 691 und 692 übermitteln Stromsignale, die von dem Festelektrolytkörper 10 erzeugt werden, an die Außenseite, während die Leitung 693 elektrische Energie dem Heizelement zuführt.
Die Leitungen 691 und 692 haben Verbindungsenden 683 und 684 an ihren unteren Enden. Die Verbindungsenden 683 und 684 werden mit den Enden 681 und 682 verbunden, die an dem Sauerstoff-Meßelement 1 befestigt sind.
Die Enden 681 und 682 sind jeweils an den äußeren und inneren Endelektroden 112 und 122 des Sauerstoff-Meßelements 1 befestigt.
Falls der Sauerstoffsensor erwärmt wird, steigt die Temperatur des Sauerstoffsensor entlang eine Profils des Temperaturanstiegs an. Nachdem die Temperatur stabilisiert ist, weist der Körper des Sauerstoffsensors eine Temperaturverteilung auf.
Die Erfinder maßen experimentell das Profil des Temperaturanstiegs und der Temperaturverteilung. Das Sauerstoff-Meßelement 1 wird einem Meßgas von 400°C ausgesetzt, um Temperaturanstiege an einer Vielzahl von Probepunkten über Thermoelemente zu messen, während die Sensorausgabe beobachtet wird. 8 zeigt das Ergebnis der Messung.
In 8 bedeutet Kurve "0" ein Profil des Temperaturanstiegs an der Elementspitze 14, eine Kurve "0,11L" bedeutet ein Profil des Temperaturanstiegs am Kontaktbereich 100, Kurve "0,56L" bedeutet ein Profil des Temperaturanstiegs an einem Punkt "k", der in 1 gezeigt wird, der zu dem oberen Ende der Meßelektrode 11 korrespondiert, wobei Kurve "0,83L" ein Profil des Temperaturanstiegs in einer Position bedeutet, die 15 mm von der Elementspitze 14 beabstandet ist und Kurve "L" bedeutet ein Profil des Temperaturanstiegs an einem Punkt "h" in 1, der zu dem oberen Ende des Oberflächenbereichs 13 korrespondiert, der Gas annimmt.
Dann nachdem die Temperatur des Sauerstoff-Meßelements 1 bei 400°C stabilisiert ist, wird eine Temperaturverteilung erhalten, indem die Temperaturen an den Probepunkten gemessen werden, die aufeinanderfolgend entlang des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, vom distalen Ende (Ursprung; 0 mm) angeordnet sind. 9 zeigt das Ergebnis der Messung. Wie in 8 gezeigt, geschieht der schnellste Temperaturanstieg an dem Kontaktbereich 100, wo das Heizelement 19 in Kontakt mit der Oberfläche 102 der Innenseite des Sauerstoff-Meßelements 1 gebracht wird. Der Temperaturanstieg der Elementspitze 14 folgt diesem. Im Gegensatz braucht es eine lange Zeit, um die Temperatur an dem oberen Ende des Oberflächenbereichs 13 zu steigern, der Gas aufnimmt. Des weiteren. nimmt die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs plötzlich ab, wenn der Abstand des Probepunkts von der Elementspitze 14 0,8L übersteigt.
Wie in 9 gezeigt, ist die Temperaturverteilung des Sauerstoff-Meßelement 1 in dem Bereich von der Elementspitze 14 bis zu der 0,8L Position einheitlich, nimmt aber steil in dem Bereich ab, der 0,8L übersteigt.
Das erfindungsgemäße Sauerstoff-Meßelement funktioniert in der folgenden Weise.
Die inner Oberfläche 102 des Sauerstoff-Meßelements 1 wird in Kontakt mit dem Heizelement 19 an dem Kontaktbereich 100 gebracht. Die Meßelektrode 11 schließt zumindest einen Teil des Kontaktbereichs 100 ein.
Wärme, die vom Heizelement 19 erzeugt wird, wird direkt zu dem Meßelektrode 11 über die innere Oberfläche 102 und den Festelektrolytkörper 10 übertragen. So wird die Meßelektrode 11 direkt von dem Heizelement 19 erwärmt. Demgemäß reduziert die vorliegende Erfindung die Aktivierungszeit, die von der Initiierung der Wärme durch das Heizelement 19 benötigt wird, zur Erzeugung eines genauen Sensorsignals von der aktivierten Meßelektrode 1.
Der Kontaktbereich 100 ist in dem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 14 zu der Position erstreckt, die durch den Abstand 0,4L von der Elementspitze 14 beabstandet ist. Mit dieser Anordnung wird es möglich den Wärmeverlust zu dem oberen Bereich von der niedrigen Temperatur des Sauerstoff-Meßelements 1 zu reduzieren. So wird die Wärmeeffizienz des Heizelements 19 verbessert.
Die Meßelektrode 11 ist vollständig in dem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 14 zu der Position erstreckt, die durch den Abstand 0,8L von der Elementspitze 14 beabstandet ist. So kann die Meßelektrode 11 eine hohe Temperatur während des Betriebs des Meßelements 1 (bezugnehmend auf 8) halten, wobei eine einheitliche Temperaturverteilung und eine befriedigende Empfindlichkeit realisiert werden.
So stellt die vorliegende Erfindung ein Sauerstoff- Meßelement zur Verfügung, das schnell in der Aktivierung und ausgezeichnet in der Empfindlichkeit ist.
Das Sauerstoff-Meßelement 1 kann mit verschiedenen Schichten beschichtet werden.
10 zeigt ein modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das eine Schutzschicht 107 aus MgAl₂O₄ Spinell hat, die durch Plasmasprühen gebildet wird. Die Schutzschicht 107 weist eine Dicke von 100 μm und eine Porenrate von 20% auf. Die Schutzschicht funktioniert auch als Diffusionswiderstandsschicht. Gemäß dieser Anordnung wird die Schutzschicht 107 auf der gesamten Oberfläche des Oberflächenbereichs 13, der Gas annimmt, des Sauerstoff-Meßelements 1 gebildet. Jedoch selbst, wenn die Schutzschicht 107 klein ist, werden ähnliche Effekte erhalten, wenn die Schutzschicht 107 komplett die Meßelektrode 11 bedeckt.
Die Schutzschicht 107 verhindert das thermische Schrumpfen der Elektroden.
11 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das eine zweite Schutzschicht 108 aufweist, die auf der Oberfläche der Schutzoberfläche 107 gebildet ist. Die zweite Schutzschicht 108 fängt giftige Komponenten in dem Meßgas und enthält hauptsächlich Al₂O₃. Die zweite Schutzschicht 108 weist eine Dicke von 120 μm und eine Porenrate von 20–50% auf.
Ein Herstellungsverfahren der zweiten Schutzschicht 108 wird erklärt werden.
Zum Beispiel wird das Sauerstoff-Meßelement 1 mit der Schutzschicht 107 in eine Aufschlämmung von Al₂O₃ eingetaucht und dann erwärmt, um die zweite Schutzschicht 108 zu bilden.
Die Wirkung der zweiten Schutzschicht 108 wird ausreichend erhalten, wenn die Meßelektrode 11 durch die zweite Schutzschicht 108 bedeckt wird. Gemäß dieser Anordnung erstreckt sich die zweite Schutzschicht 108 von der Elementspitze 14 zu der Position, die durch den Abstand 12 mm (= 0,67L) von der Elementspitze 14 beabstandet ist. Jedoch ist es möglich die zweite Schutzschicht 108 entlang der gesamten Oberfläche des Oberflächenbereichs 13 zu vergrößern, der Gas annimmt.
12 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das eine dritte Schutzschicht 109 aufweist, die auf der Oberfläche der zweiten Schutzschicht 108 gebildet wird, die auf der Oberfläche der Schutzschicht 107 gebildet wird. Die dritte Schutzschicht 109 verstärkt die Wirkung der Schutzschichten, die giftige Komponenten in dem Meßgas fangen.
Wenn die dritte Schutzschicht 109 eine Porenrate aufweist, größer als die zweite Schutzschicht 108, wird es möglich große giftige Komponenten zu fangen. Diese ist wirksam, um zu verhindern, dass die zweite Schutzschicht 108 durch giftige Elemente verdeckt wird. Die dritte Schutzschicht 109 enthält hauptsächlich Al₂O₃ und weist eine Dicke von 40 μm und eine Porenrate von 60% auf.
Ein Herstellungsverfahren der dritten Schutzschicht 109 wird erklärt werden.
Zum Beispiel wird das Sauerstoff-Meßelement 1 mit der zweiten Schutzschicht 108 in eine Aufschlämmung von Al₂O₃ getaucht und dann mit Wärme behandelt, um die dritte Schutzschicht 109 zu bilden.
Die Wirkung der dritten Schutzschicht 109 wird ausreichend erhalten, wenn die Meßelektrode 11 durch die dritte Schutzschicht 109 bedeckt wird. Gemäß dieser Anordnung erstreckt sich die dritte Schutzschicht 109 von der Elementspitze 14 zu einer Position, die durch einen Abstand 11 mm (= 0,61) von der Elementspitze 14 beabstandet ist.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen experimentelle Daten, die durch die Leistungstest der Proben 1–16 des Sauerstoff-Meßelements erhalten werden. Die Proben 1–9 sind im wesentlichen die gleichen in ihrer Anordnung, wie das Sauerstoff-Meßelement 1, das in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform offenbart wird, obwohl leicht verschieden in der Größe, dem Lageverhältnis und dem Herstellungsverfahren für die Meßelektrode.
Jede der Proben 1–15 weist eine Referenzelektrode auf, die insgesamt auf der inneren Oberfläche des Sauerstoff-Meßelements zur Verfügung gestellt wird. Jede der Proben 1–9 und 16 weist Referenz- und Meßelektroden in einem gegenüberliegenden Verhältnis auf. Bei jeder Probe werden die äußere und die innere Leitungselektrode in einer um 90 Grad versetzten Anordnung gebildet, die in 4B gezeigt wird.
Jeweils in den Tabellen 1 und 2 bedeutet die "Meßelektrodenposition" einen Abstand zwischen dem unteren Ende der Meßelektrode und dem distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements. Die "Kontaktposition" bedeutet einen Abstand zwischen dem Kontaktbereich und dem distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements. Die "äußere Leitungselektrodenweite" bedeutet eine Umfangsweite der äußeren Leitungselektrode, wie in sie in der vorangehenden Beschreibung erklärt wird.
Die Probe 8 weist eine teilweise gebildete äußere Elektrode (ihre Umfangsweite beträgt 3, mm), gemäß einer modifizierten Anordnung, die in den 16A und 16B gezeigt wird, auf.
Die Leistungsfähigkeitstests, einschließlich der Messungen der Aktivierungszeit, Sensorempfindlichkeit (Sensorausgabe, Reaktionszeit) und Haltbarkeit werden detaihlierte erklärt werden.
Zuerst wird die Messung der Aktivierungszeit erklärt.
Die Sauerstoff-Meßelementproben wurden dem Meßreichgas (λ [Luftüberschußrate = 0,9) und 400°C ausgesetzt. Zur gleichen Zeit wurde elektrische Energie an das Heizelement angelegt. Eine Zeit, die für den Sensor erforderlich ist, um ein 0,45 V Ausgabesignal herzustellen, wird als Aktivierungszeit definiert. Jede o-markierte Probe demonstriert eine annehmbare Aktivierungszeit, die gleich oder weniger als 30 Sekunden beträgt.
Zweitens wird die Messung der Empfindlichkeit erklärt. Jede der Sauerstoff-Meßelementproben, die auf 400°C gehalten wird, wurde alternierend einem Meßreichgas (λ = 0,9) und zu Meßschwachgas (λ = 1,1) unterworfen, um die Empfindlichkeit des Ausgabesignals über ein Referenzniveau von 0,45 V zu überprüfen. Jede o-markierte Probe demonstriert eine befriedigend Empfindlichkeit bei der Sensorausgabefrequenz, die gleich oder größer als 0,8 Hz ist, ebensogut bei der Sensorausgabedifferenz, die gleich oder größer als 0,7 V als ein Unterschied zwischen einer Sensorausgabe ist, die zu dem Meßreichgas (λ = 0,9) korrespondiert und einer Sensorausgabe, die zu einem Meßschwachgas (λ = 1,1) korrespondiert.
Als nächste Messung wird die Haltbarkeit erklärt. Die Sauerstoff-Meßelementproben wurden in einer Umgebung von hoher Temperatur von 900°C für 500 Stunden gelassen. Jede omarkierte Probe demonstriert eine gute Haltbarkeit äquivalent zu oder größer als 0,4 Hz bei der Sensorausgabefrequenz und 0,5 V bei der Sensorausgabedifferenz.
Alle der Proben 1–9, die in Tabelle 1 gezeigt werden, erfüllen die Bedingung, dass der Kontaktbereich in dem Bereich von dem distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements zu der 0,4L Position angeordnet wird und die Meßelektrode wird in einem Bereich von dem distalen Ende zu der 0,8L Position angeordnet. Die Proben 1–9 demonstrieren eine kurze Aktivierungszeit, eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine höhere Ausgabe.
Die Probe 10, die eine Meßelektrode aufweist, die höher als 0,8L angeordnet ist, war unzureichend bei der Empfindlichkeit. Die Probe, die einen Kontaktbereich aufweist, der in einer höheren Position angeordnet ist, war unzureichend bei der Aktivierungszeit. Die Probe 12, die eine weite äußere Leitungselektrode aufweist, war unzureichend bei der Empfindlichkeit. Die Probe 13, die eine schmale äußere Leitungselektrode aufweist, war unzureichend in der Haltbarkeit.
Die Probe 14, die eine Meßelektrode aufweist, die durch Pastendrucken hergestellt wurde, war unzureichend in der Aktivierungszeit bei der Empfindlichkeit und der Empfindlichkeit der Senorausgabe. Die Probe 15 weist eine Meßelektrode auf, die nicht in dem Kontaktbereich gebildet wurde, war unzureichend bei der Aktivierungszeit.
Gemäß den Tabellen 1 und 2 wurde bestätigt, dass es möglich wird, ein Sauerstoff-Meßelement zur Verfügung zu stellen, dass eine kurze Aktivierungszeit, ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine hohe Ausgabe aufweist, wenn der Kontaktbereich in dem Bereich von 0 (oder 0L) Position (d. h.
dem distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements) zu der 0,4L Position angeordnet ist und die Meßelektrode wird in dem Bereich von der 0 Position bis zu der 0,8L Position angeordnet.
Es wird auch bestätigt, dass es bevorzugt ist, die Meßelektrode durch chemisches Plattieren herzustellen. Eine bevorzugte Breite der äußeren Leitungselektrode liegt in dem Bereich von 0,1–5 mm.
Die Probe 9 unterscheidet sich von der Probe 1 im Zustand zu der Referenzelektrode. Gemäß zu der Probe 9 werden die Meßelektrode und Meßelektrode in einer entgegengesetzten Beziehung zu einander angeordnet. Die Probe 9 ist etwas ausgezeichneter als die Probe 1 bei der Empfindlichkeit und der Sensorausgabe. Tabelle 1
Tabelle 2
Die 13 bis 18 zeigen verschiedene Modifikationen des erfindungsgemäßen Sauerstoff-Meßelements 1.
13 zeigt ein modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das einen Sauerstoffbereich 13 zeigt, der Gas aufnimmt, der 25 mm in der Länge beträgt. Die Meßelektrode 11 dehnt sich von der Elementspitze 14 bis zu der 0,4L (= 10 mm)) Position aus. Die äußere Leitungselektrode 111 weist 1,5 mm in der Breite auf. Die äußere Endelektrode 112 weist eine rechteckige Elektrode (7 mm in der Breite × 4 mm in der Länge) auf. Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie die Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart ist.
Die 14 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das die Meßelektrode 11 aufweist, die sich von der Elementspitze 14 bis zu der 0,11 (= 2 mm) Position erstreckt. Die äußere Leitungselektrode 111 und die äußere Endelektrode 112 sind identisch mit der oben beschriebenen Ausführungsform. Das modifizierte Sauerstoff-Meßelement 1 der 14 korrespondiert zu der Probe 3, die in Tabelle 1 gezeigt wird, und weist daher eine kurze Aktivierungszeit, ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine höhere Ausgabe auf.
Des weiteren weist die Meßelektrode 11 eine geringere Fläche auf. Dies ist effektiv, um die verwendete Menge an Pt zu reduzieren, das teuer ist. So werden die Herstellungskosten reduziert. Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie die Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird. Diese Modifikation ist nicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform, da sie nicht die Bedingung L1/L2 > 1,0 erfüllt.
15 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das die Meßelektrode 11 aufweist, die sich von der 0,11 (= 2 mm) Position zu der 0,56L (= 10 mm) Position erstreckt. Das modifizierte Sauerstoff-Meßelement 1 der 15 korrespondiert zu der Probe 7, die in Tabelle 1 gezeigt wird und weist daher eine kurze Aktivierungszeit, ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine höhere Ausgabe auf. Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie die Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird.
Die 16A und 16B zeigen zusammen ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das die Meßelektrode 11 aufweist, die sich von der Elementspitze 14 bis zu der 0,56L (= 10 mm) Position mit der Umfangsbreite 3 mm erstreckt. Eine Gesamtheit von zwei Meßelektroden 11 werden an der äußeren Oberfläche 101 in einer gegenüberliegenden Beziehung, wie in 16 B gezeigt, zur Verfügung gestellt. Die jeweiligen äußeren Elektroden 11 liegen den korrespondierenden Referenzelektroden 12 gegenüber, die an der inneren Oberfläche 102 gebildet sind. Das modifizierte Sauerstoff-Meßelement 1 der 16A und 16 B korrespondieren zu der Probe 8, die in Tabelle 1 gezeigt wird.
Daher weist das modifizierte Sauerstoff-Meßelement 1 der 16A und 16 B eine kurze Aktivierungszeit, eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine höhere Ausgabe auf. Des weiteren weist die Meßelektrode 11 eine geringere Fläche auf. Dies ist effektiv, um die verwendete Menge an teurem Elektrodenmaterial, einschließlich des Edelmetalls, zu reduzieren. Daher werden die Herstellungskosten reduziert.
17 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das konische Bereiche 109 von 1 mm aufweist, die auf dem Verbindungsteil zwischen der Meßelektrode 11 und der äußeren Leitungselektrode 111 und an dem Verbindungsteil zwischen der äußeren Endelektrode 112 gebildet werden. Es ist möglich bogenförmige konische Bereiche 109 zur Verfügung zu stellen. Falls die Elektroden durch chemisches Plattieren und Sintern hergestellt werden, werden die Verbindungsteile der Elektroden konzentrierten Belastungen unterworfen. Das Bereitstellen der konischen Bereiche 109 ist effektiv, um eine derartige Konzentration von Belastungen zu reduzieren, wodurch das Brechen der Elektroden an ihren Verbindungsbereichen beseitigt wird.
18 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1, das die Referenzelektrode 12 aufweist, die auf der gesamten Oberfläche der inneren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 10 gebildet ist.
Die Referenzelektrode 12 wird durch Tauchen der inneren Oberfläche in eine organometalische Lösung gebildet, die ein Edelmetall enthält und dann wird die Plattierung nach der Beendigen der Wärmebehandlung aufgebracht. Dies ist vorteilhaft dabei, dass die Referenzelektrode leicht gebildet werden kann, ohne eine komplizierte Vorrichtung, wie einen Abfüllvorrichtung oder ähnliches zu verwenden.
Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie die Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird.
Zweite Ausführungsform
Wie in den 19 bis 23 gezeigt, weist ein Sauerstoff-Meßelement 1001 der zweiten Ausführungsform einen Säulen-förmigen Festelektrolytkörper 1015, der ein geschlossenes Ende und einen inneren Raum aufweist, der als Referenzgaskammer 1016 dient, eine Meßelektrode 1011, die auf der äußeren Oberfläche 1150 des Festelektrolytkörpers 1015 zur Verfügung gestellt wird, eine Referenzelektrode 1012, die auf der inneren Oberfläche 1160 des Festelektrolytkörpers 1015 zur Verfügung gestellt wird und eine Heizvorrichtung 1002 auf, die auf der Referenzgaskammer 1016 (bezugnehmend auf 21) angeordnet ist.
Wie in den 19, 20A und 20B gezeigt, weist der Festelektrolytkörper 1015 eine äußere Oberfläche 1150 auf, einschließlich eines Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, der dem Meßgas ausgesetzt wird, wenn das Sauerstoff-Meßelement 1001 betrieben wird. Der Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, erstreckt sich von einer Elementspitze 1159 (d. h. distales Ende des Sauerstoff-Meßelements 1001) zu einer Position, die durch einen Abstand L von der Elementspitze 1159 beabstandet ist.
Die Meßelektrode 1011 weist eine Länge L1 gleich zu oder größer als 0,2L in der Längsrichtung des Sauerstoff-Meßelements 1001 auf. Die Meßelektrode 1011 ist in einem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position erstreckt, die durch einen Abstand 0,8L von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist. Des weiteren weist die Meßelektrode 1011 eine Dicke von 0,5–3,0 μm auf.
Das Sauerstoff-Meßelement 1001 weist eine Schutzschicht 1041 des MgAl₂O₄ Spinell auf, das durch ein Plasmasprühen gebildet wird. Wie in 22 gezeigt (obwohl nicht in 19 gezeigt), erstreckt sich die Schutzschicht 1041 auf der gesamten Oberfläche der Meßelektrode 1011 und der äußeren Oberfläche 1150.
Die Schutzschicht 1041 weist eine Dicke von 100 μm und eine Porenrate von 20% auf, obwohl die Dicke und die Porenrate variiert werden können, indem die Bedingungen des Plasmasprühens eingestellt werden.
Die Schutzschicht 1041 schützt die Meßelektrode 1011 und verhindert, dass die Meßelektrode 1011 aufgrund von Wärme schrumpft. Die Schutzschicht 1041 dient auch als Widerstandsschicht gegen Diffusion. Es ist möglich die Schutzschicht 1041 nur auf der Oberfläche der Meßelektrode 1011 zur Verfügung zu stellen.
Wie in 19 gezeigt, erstreckt sich ein Leitungsbereich 1111 auf der äußeren Oberfläche 1150 des Festelektrolytelements 1015, um ein Meßsignal von der Meßelektrode 1011 zu einem Endbereich 1112 zu übermitteln. Obwohl nicht in 19 gezeigt, wird eine Gesamtheit von zwei Leitungsbereichen 1111 auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers in einer gegenüberliegenden Beziehung zur Verfügung gestellt und eine Gesamtheit von zwei und zwei Leitungselektroden 1121 werden in der gleichen Weise (bezugnehmend auf 20A und 20 B) zur Verfügung gestellt.
Der Festelektrolytkörper 1015 wird aus einem teilweise stabilisierten Zirkonium gemacht. Alles der Meßelektrode 1011, des Leitungsbereichs 1111 und des Endbereichs 1112 sind aus Platin gemacht.
Die Länge L des Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, beträgt 25 mm.
Die Meßelektrode 1011 und die Referenzelektrode 1012 detektieren zusammen die Sauerstoffkonzentration des Meßgases. Die Meßelektrode 1011, die sich von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position erstreckt, die durch einen Höhen-Abstand von 10 mm von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist. Mit anderen Worten, die Länge L1 der Meßelektrode 1011 beträgt 10 mm (d. h. 0,40L).
Der Leitungsbereich 1111, der das Meßsignal von der Meßelektrode 1011 zu dem Endbereich 1112 übermittelt, weist eine Umfangsbreite von 1,5 mm auf und ist zwischen dem oberen Ende der Meßelektrode 1011 und dem unteren Ende des Endbereichs 1112 verbunden.
Der Endbereich 1112 wird mit einem metallischen Ende 1383 des Sauerstoffsensors 1003 verbunden, um das Meßsignal zu der Außenseite, wie in 23 gezeigt, zu übermitteln. Der Endbereich 1112 ist rechteckig, der eine Umfangsbreite von 7 mm und eine Längslänge von 5 mm aufweist. Es ist möglich, die Umfangsbreite des Endbereichs 1112 mit dem des Leitungsbereichs 1111 anzugleichen.
Wie in den 20A und 20 B gezeigt, sind die Leitungsbereiche 1111 als Paar angeordnet, so dass sie gegenüber dem Festelektrolytkörper 1015 und den zwei Endbereichen 1112 als Paar in der gleichen Weise angeordnet sind.
Die Referenzelektrode 1012 wird durch Plattieren, Pastendrucken oder ähnliches in einer Position gegenüber der Meßelektrode 1011 hergestellt. Ein Leitungsbereich 1121 erstreckt sich auf der inneren Oberfläche 1160, um ein Referenzsignal von der Referenzelektrode 1012 zu einem Endbereich 1122 zu übertragen.
Der Endbereich 1121 weist eine Umfangsbreite von 1,5 mm auf. Der Endbereich 1122 ist ein Rechteck, das eine Umfangsbreite von 7 mm und eine Längslänge von 5 mm aufweist. Die zwei Leitungsbereiche 1121 und zwei Leitungsbereiche 1111 sind versetzt mit Winkelintervallen von 90° angeordnet.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, den nachteiligen Einfluß von den Bereichen einer niedrigen Temperatur der Leitungsbereiche 1121 und 1111 zu eliminieren. Die Sensorempfindlichkeit kann verbessert werden. Jedoch kann es möglich sein, die Leitungsbereiche 1121 und 1111 in einem gegenüberliegenden Verhältnis anzuordnen, wenn kein nachteiliger Einfluß auf die Sensoreigenschaften erfolgt.
Das Sauerstoff-Meßelement 1001 weist ein Heizelement 1002 auf, das einen Wärme erzeugenden Bereich 1020 an einem Ende davon aufweist, wie in 21 gezeigt. Das Heizelement 1002 versorgt ein Widerstandelement, das Wärme als Reaktion auf angelegte elektrische Energie erzeugt und leitet zugeführte elektrische Energie zu dem Widerstandselement. Der Wärme erzeugende Bereich 1020 ist ein Bereich, in dem das Widerstandselement angeordnet wird. Das Wärmeelement 1002 erzeugt hauptsächlich Wärme aus dem Wärme erzeugenden Bereich 1020.
Das Heizelement 1002 weist einen Hauptkörper aus Al₂O₃, Si₃N₄ oder ähnliches auf, das das Widerstandselemet aus W-Re, Pt oder ähnliches versorgt.
Das Heizelement 1002 weist ein Heizelementblatt auf, das um einen Heizelementkern aus Al₂O₃, Si₃N₄ oder ähnliches gewunden ist. Das Wärme erzeugende Widerstandselement wird auf einer Oberfläche des Heizelementblatts zur Verfügung gestellt, um gegenüber dem Heizkern zu liegen oder wird in einem geschichteten Körper des Heizelementblatts zur Verfügung gestellt.
Es ist möglich ein vielschichtiges Heizelement zu verwenden, das eine Vielzahl von plattenartigen Al₂O₃ Schichten aufweist.
Der Wärme erzeugende Bereich 1020 weist ein niedriges Ende auf, das zu einem Höhenabstand 1,0 mm von der Elementspitze 1159 korrespondiert und dehnt sich aufwärts mit einer Länge L2 = 4,0 mm (d. h. 0,16L). Die zentrale Position des Wärme erzeugenden Bereichs 1020 korrespondiert zu einem Höhenabstand 5 mm von der Elementspitze 1159. Ein Abstand von 0,2 mm wird zwischen der inneren Oberfläche 1160 und dem Heizelement 1002 auf einem Niveau der Meßelektrode 1011 zur Verfügung gestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform wird das Heizelement 1002 in Kontakt mit der inneren Oberfläche 1160 der Referenzgaskammer 1016 gebracht. Jedoch ist es möglich das Heizelement 1002 in einem abgetrennten Verhältnis zu der inneren Oberfläche 1160 anzuordnen.
Die Meßelektrode 1011, der Leitungsbereich 1111 und der Endbereich 1112 werden in der folgenden Weise hergestellt.
Eine Paste, die eine Edelmetallkomponente enthält, wie Dibenzylidenplatin (mit einem Pt Menge von 0,4 Gew.%) wird auf die äußere Oberfläche 1150 des Festelektrolytkörpers 1015 mittels Tampondrucken (pad printing) gedruckt, um ein gedrucktes Muster zu bilden, das zu der Meßelektrode 1011, den Leitungsbereich 1111 und dem Endbereich 1112 korrespondiert.
Als nächstes wird die gedruckte Paste erwärmt, um einen Pt Kern zu bilden.
Dann wird geringes (electroless) Elektroplattieren auf dem Pt Kern aungewendet, um die Meßelektrode 1011, den Leitungsbereich 1111 und den Endbereich 1112 zu bilden, wobei jeder eine Dicke von 1,5 μm aufweist.
Die Referenzelektrode 1012, der Leitungsbereich 1121 und der Endbereich 1122 werden in der folgenden Weise hergestellt. Eine leere, mit einer Düse ausgerüstete Abfüllvorrichtung wird hergestellt. Die Düse weist eine einfache Auslaßöffnung auf. Es ist jedoch möglich ein poröses Element, wie ein Schaumelement an dem Spitzenende der Düse anzubringen.
Die Düse der Abfüllvorrichtung wird in eine Referenzgaskammer 1016 des Festelektrolytkörpers 1015 eingeführt. Eine organometallische Paste, die ein Edelmetall oder irgendeine andere Paste enthält, die ein Edelmetall enthält, wird in die Abfüllvorrichtung injiziert. Die Düse wird entlang einer inneren Oberfläche 1160 in der rauf und runter Richtung verschoben und dreht sich um eine Achse, um eine gedrucktes Muster der Paste zu bilden, das zu der Referenzelektrode 1012, dem Leitungsbereich 1121 und dem Endbereich 1122 korrespondiert.
Falls das Edelmetall, das die organometallische Paste enthält, verwendet wird, um die Referenzelektrode 1012 und andere zu erhalten, wobei das chemische Plattieren nach der Beendigung der Wärmebehandlung durchgeführt wird. Auf der anderen Seite wird die Edelmetall-Paste verwendet, wobei die verwendete Paste direkt gesintert wird, um die Referenzelektrode 1012 und andere zu erhalten.
Als nächstes wird eine detaillierte Anordnung des Sauerstoffsensors 1003, die das Sauerstoff-Meßelement 1001 aufweist, erklärt werden.
Wie in 23 gezeigt, weist der Sauerstoffsensor 1003 ein Gehäuse 1030 auf und das Sauerstoff-Meßelement 1001 wird abgedichtet und fest in diesem Gehäuse 1030 fixiert. Das Heizelement 1002 wird in der Referenzgaskammer 1016 des Sauerstoff-Meßelements 1001 angeordnet.
Eine Kammer für das Meßgas wird unter dem Gehäuse 1030 zur Verfügung gestellt. Doppelschichtige Bedeckungen 1311 und 1312 umgeben den Spitzenendenbereich des Sauerstoff-Meßelements 1001. Die dreistufigen Bedeckungen 1321, 1322 und 1323 werden aufeinanderfolgend über dem Gehäuse 1030 zur Verfügung gestellt.
Das zu Meßgas fließt in die Meßgaskammer 1310. Die Luft wird in einen inneren Raum der Bedeckungen 1321, 1322 und 1323 eingeführt. Das Sauerstoff-Meßelement 1001 wird luftdicht abgedichtet und in dem Sauerstoffsensorkörper fixiert, wobei es als Teil zum Trennen der Luft und des Meßgases dient.
Eine Vielzahl von Zuleitungen 1371, 1381 und 1391 erstreckt sich aufwärts durch ein elastisches isolierendes Element 1035, das am oberen Ende der Bedeckungen 1322 und 1323 zur Verfügung gestellt wird. Die Zuleitungen 1381 und 1391 übermitteln die Signale, die von dem Sauerstoff-Meßelement 1001 zu der Außenseite übermittelt werden, während die Zuleitung 1371 elektrische Energie zu dem Heizelement 1002 übermittelt.
Die Zuleitungen 1391 und 1381 weisen Verbindungsterminale 1382 und 1392 an ihren unteren Enden auf. Die Verbindungsterminale 1382 und 1392 sind mit den metallischen Terminalen 1383 und 1393 verbunden, die an das Sauerstoff-Meßelement 1001 befestigt sind.
Die metallischen Terminale 1383 und 1393 werden jeweils an den Endbereichen 1112 und 1122 des Sauerstoff-Meßelements befestigt.
Gemäß dem Sauerstoff-Meßelement 1001 dieser Ausführungsform ist die Länge L1 der Meßelektrode 1011 gleich oder größer 0,2L. Diese Anordnung verhindert unerwünschtes thermisches Schrumpfen der Meßelektrode 1011 und demgemäß wird das Brechen der Meßelektrode 1011 verhindert (bezugnehmend zu später beschriebenen experimentellen Daten).
Die Meßelektrode 1011 ist insgesamt in dem Bereich angeordnet, der sich von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position erstreckt, die durch einen Abstand 0,8L von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist, wenn "L" die Länge des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, wiedergibt, wo der Festelektrolytkörper 1015 dem Meßgas ausgesetzt wird.
Wie in 23 gezeigt, wird das Sauerstoff-Meßelement 1001 in dem Sauerstoffsensor 1003 angeordnet. Der Sauerstoffsensor 1003 weist einen Teil auf, der dem Meßgas ausgesetzt wird und einen Teil der dem Referenzgas ausgesetzt wird. Die Grenze zwischen diesen Teilen wird durch das Sauerstoff-Meßelement 1001 abgedichtet. Der abgedichtete Teil grenzt an den Rande des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, auf dem Sauerstoff-Meßelement 1001, um so zu verhindern, dass das Meßgas über diesen abgedichteten Bereich voranzuschreiten.
Das Meßgas fließt mit einer reduzierten Geschwindigkeit in einen Bereich, indem die 0,8L Positon aufgrund des abgedichteten Teils überschritten wird. Falls die Meßelektrode 1011 in diesem Bereich zur Verfügung gestellt wird, wird die Sensorausgabe beschädigt.
Demgemäß wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zu erhalten, dass eine befriedigende Empfindlichkeit aufweist, indem die Meßelektrode 1011 in dem Bereich zur Verfügung gestellt wird, der die 0,8L Position nicht überschreitet (bezugnehmend zu dem später beschriebenen experimentellen Daten).
Des weiteren gemäß dieser Ausführungsform weist die Meßelektrode 1011 die Dicke von 0,5–3,0 μm auf. Diese Anordnung macht es möglich dem Meßgas gut in die Meßelektrode 1011 einzudiffundieren und einzudringen. So wird es möglich ein Sauerstoff-Meßelement zu erhalten, dass eine ausgezeichnete Empfindlichkeit aufweist. (bezugnehmend zu später beschriebenen experimentellen Daten).
Demgemäß stellt diese Ausführungsform ein Sauerstoff-Meßelement zur Verfügung, das eine ausgezeichnete Empfindlichkeit aufweist und in der Lage ist das Brechen und die Zerstörung dieser Eigenschaften zu verhindern.
24 zeigt eine Temperaturverteilung entlang des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, auf der äußeren Oberfläche 1150 des Festelektrolytkörpers 1015, der erhalten wird, wenn das Sauerstoff-Meßelement 1001 in dem Sauerstoffsensor 1003 zusammengebaut ist, der in 21 gezeigt wird und in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors eines Automobils installiert ist, worin die Temperatur der Abgase auf einen vorbestimmten Wert (ungefähr 600°C) stabilisiert ist.
Gemäß zu den experimentellen Daten, die in 24 gezeigt werden, wird verstanden, dass die Temperatur des Festelektrolytkörpers 1015 hoch in der Position ist, die zu dem wäremerzeugenden Bereich 1020 des Heizelements 1002 korrespondiert und niedrig an einer Position ist, die weit weg vom wärme erzeugenden Bereich ist.
Gemäß dem Sauerstoff-Meßelement 1001 dieser Ausführungsform wird die Referenzelektrode 1012 teilweise auf der inneren Oberfläche 1160 zur Verfügung gestellt. Jedoch ist es möglich die Referenzelektrode 1012 vollständig auf der inneren Oberfläche 1160 zu bilden.
In diesem Fall wird die innere Oberfläche 1160 in ein Edelmetall eingetaucht, das eine organometallische Lösung enthält, wärmebehandelt und dann wird das Plattieren angewendet, um die Referenzelektrode 1012 zu erhalten, die vollständig auf der inneren Oberfläche 1160 gebildet ist. So wird die Referenzelektrode 1012 leicht hergestellt.
Gemäß dem Sauerstoff-Meßelement 1001 dieser Ausführungsform wird der Endbereich 1122 auf der äußeren Oberfläche 1150 des Festelektrolytkörpers 1015 zur Verfügung gestellt. Es ist jedoch möglich, den Endbereich 1122 auf der inneren Oberfläche 1160 des Festelektrolytkörper 1015 zur Verfügung zu stellen, wie in den 25A und 25B gezeigt.
Die Sensor- Leistungsfähigkeiten werden an verschiedenen Sauerstoff-Meßelementproben überprüft, die verschiedene Dimensionen bei jeder Länge L des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, der Länge L1 der Meßelektrode 1011 und der Länge L2 des Wärme erzeugenden Bereichs 1020, aufweist.
Tabelle 1 zeigt das Testergebnis der Proben 1–12 des erfindungsgemäßen Sauerstoff-Meßelements. Tabelle 2 zeigt das Testergebnis der Vergleichsbeispiele 13–20.
Die Proben 1–20 sind verschieden bei L1, L2, L1/L2 und L Werten der Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform gezeigt wird.
Die Probe 4 weist eine Meßelektrode auf, deren unteres Ende 3 mm weg vom distalen Ende des Sauerstoff-Meßelements (bezugnehmend auf 30) beabstandet ist. Die Probe 12 weist eine Meßelektrode auf, die mittels Sputterns hergestellt wird. Die Probe 19 weist eine Meßelektrode auf, die mittels der Anwendung einer Paste; die Edelmetall enthält und Wärmebehandlung der verwendeten Paste hergestellt wird.
Die Leistungsfähigkeiten jeder Probe wird in der folgenden Weise gemessen.
Zuerst wird die Messung der Empfindlichkeit erklärt. Ein Heizelement, das mit einem Sauerstoff-Meßelement ausgerüstet ist, wurde sicher an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors eines Automobils befestigt. Nach dem der Motor gestartet worden ist, wurde elektrischer Strom (5 W) an das Heizelement angelegt. Dann wurde jede Probe wechselseitig einem Reichmeßgas (λ = 0,9) und einem Schwachmeßgas (λ = 1,1) unterworfen, um die Empfindlichkeit des Ausgabesignals (d. h. die Frequenz) um eine Referenzniveau von 0,45 V zu prüfen.
In den Tabellen 1 und 2 demonstrieren die o-markierten Proben eine befriedigende Empfindlichkeit bei der Frequenz der Sensorausgabe, die größer als 0,85 Hz ist. Auf der anderen Seite Δ-markierte Proben demonstrieren die Frequenz der Sensorausgabe in dem Bereich von 0,75 Hz bis 0,8 Hz und xmarkierte Proben demonstrieren die unbefriedigende Frequenz der Sensorausgabe, die weniger als 0,75 Hz beträgt.
Zweitens wird die Messung der Sensorausgabe erklärt. Ähnlich der oben beschriebenen Messung der Empfindlichkeit, wird das Sauerstoff-Meßelement, das mit einem Heizelement ausgerüstet ist, sicher in dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors eines Automobils fixiert. Nach dem der Motor gestartet worden ist, wurde elektrischer Strom (5W) an das Heizelement angelegt. Dann wurde jede Probe wechselseitig einem Reichmeßgas (λ = 0,9) und einem Schwachmeßgas (λ = 1,1) unterworfen, um die Differenz der Sensorausgabe zu messen.
Die Differenz der Senorausgabe ist ein anderer Faktor, der bei der Überprüfung der Empfindlichkeit verwendet wird. Wenn die Frequenz der Sensorausgabe identisch oder konstant ist, wobei sie eine große Differenz der Sensorausgabe aufweist, wird als ausgezeichnet bei der Empfindlichkeit angesehen.
In den Tabellen 1 und 2 demonstrieren die o-markierten Proben eine befriedigende Empfindlichkeit bei der Differenz der Sensorausgabe, die größer als 0,7 V ist. Auf der anderen Seite Δ-markierte Proben demonstrieren die Differenz der Sensorausgabe in dem Bereich von 0,65 Hz bis 0,7 Hz und xmarkierte Proben demonstrieren die unbefriedigende Differenz der Sensorausgabe, die weniger als 0,65 Hz beträgt.
Drittens die Messung der thermischen Haltbarkeit wird erklärt.
Die thermische Haltbarkeit wurde durch die folgenden zwei Tests gemessen.

(1) Jede Probe wurde in eine Umgebung einer hohen Temperatur von 900°V für 500 Stunden stehen gelassen. In den Tabellen 1 und 2 demonstrieren o-markierte Proben eine gute Haltbarkeit äquivalent zu der Sensorausgabe, die größer als 0,5 V ist. Auf der anderen Seite demonstrieren Δ-markierte Proben die Sensorausgabe in dem Bereich von 0,4 V bis 0,5 V und x-markierte Proben demonstrieren die unbefriedigende Sensorausgabe, die geringer als 0,4 V beträgt.
26 fasst das Verhältnis zwischen der Sensorausgabe und dem Verhältnis L1/L, das vor und nach diesem ersten Haltbarkeitstest gemessen wird.
(2) Als nächstes wird die AN/AUS Haltbarkeit des Heizelements geprüft, indem intermittierend elektrische Energie zu dem Heizelement in Intervallen von 10 Sekunden bis 10 Minuten zugeführt wird. Ungefähr 10 Sekunden nach dem Start der elektrischen Energiezufuhr erreicht die Temperatur des Heizelements 1200°C in der zentralen Position des Wärme erzeugenden Teils. Eine gesamte Anzahl der Wiederholungen bei jedem Heizelement AN/AUS Haltbarkeitstest erreicht ungefähr 10 000.

27 faßt das Verhältnis zwischen der Sensorausgabe und dem Verhältnis L1/L2 zusammen, das vor und nach diesem zweiten Haltbarkeitstest gemessen wird.
Wie aus den Tabellen 1 und 2 offensichtlich, demonstrieren die Proben 1–12 eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bei der Empfindlichkeit, Sensorausgabe und thermischen Haltbarkeit. Weist jede dieser ausgezeichneten Proben 1–12 die Meßelektrodeauf, die die Länge L1 gleich oder größer als 0,2L in der Längsrichtung des Sauerstoff-Meßelements 1001 aufweist, wobei sie vollständig in dem Bereich angeordnet ist, der sich von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position erstreckt, die durch einen Abstand 0,8L von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist und die Dicke in dem Bereich von 0,5–3,0 μm aufweist.
Das Vergleichsbeispiel 13 (L1 = 0,16L) war nicht befriedigend bei der thermischen Haltbarkeit. Das Vergleichsbeispiel 14, das die Meßelektrode aufweist, die sich jenseits der 0,8L Position erstreckt, war unzureichend in der Empfindlichkeit und in der Sensoausgabe. Die Vergleichsbeispiele 15 und 19, die Dickmeßelektroden (3,5 μm und 5 μm ) aufweist, waren uzureichend bei der Empfindlichkeit und der Sensorausgabe. Das Vergleichsbeispiel 16, das eine dünne Meßelektrode aufweist, war nicht ausreichend bei der thermischen Haltbarkeit.
Die Vergleichsprobe 17, die einen großen Abstand aufweist, war unzureichend bei der Empfindlichkeit und der Sensorausgabe. Die Vergleichsprobe 18, die groß beim Verhältnis L1/L2 ist, war unzureichend bei der Empfindlichkeit und der Sensorausgabe. Die Vergleichsprobe 20, die klein beim Verhältnis L1/L2 ist, war unzureichend bei der thermischen Haltbarkeit.
Des weiteren, falls die Länge L2 gleich oder größer als 0,2L ist, ist es möglich eine akzeptable Sensorausgabe nach dem Haltbarkeitstest zu erhalten, wie in 26 gezeigt. Darüber hinaus, falls das Verhältnis L1/L2 in dem Bereich von 1,0–4,0 liegt, ist es möglich eine hohe Sensorausgabe (d. h. ausgezeichnete Empfindlichkeit) nach dem Haltbarkeitstest zu erhalten, wie in 27 gezeigt.
Tabelle 3 vergleicht die oben beschriebene Probe 1 und ein anderes Vergleichsbeispiel 21, um die Aktivierungszeit des Sauerstoff-Meßelements zu überprüfen. Die Probe 21 weist ein Heizelement mit einem langen Wärme erzeugenden Teil auf. Jede der Proben 1 und 21 wurde einem Reichabgasgas (λ = 0,9, 400 °C) ausgesetzt, das von dem Verbrennungsmotor eines Automobils ausgestoßen wird. Zu der gleichen Zeit wird elektrische Energie dem Heizelement zugeführt. Die Aktivierungszeit, d. h.
die Zeit, die erforderlich für den Sensor ist, um ein 0,45V Ausgabesignal zu produzieren, wurde gemessen. In Tabelle 3 demonstriert die o-markierte Probe eine akzeptable Aktivierungszeit von weniger als 25 Sekunden und die x-markierte Probe demonstriert eine inakzeptable Aktivierungszeit, die größer als 30 Sekunden ist.
Wie es aus Tabelle 3 offensichtlich ist, wird verstanden, dass indem ein langer Wärme erzeugender Teil verwendet wird, es eine lange Zeit benötigt, um das Sauerstoff-Meßelement aufgrund der Verzögerung beim Temperaturanstieg bei dem Heizelement zu aktivieren.
Tabelle 1 -(1)
Tabelle 1 -(2)
Tabelle 2
Tabelle 3
28 zeigt ein modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1001, das zwei Schutzschichten aufweist.
Wie in 28 gezeigt, weist das Sauerstoff-Meßelement 1001 eine zweite Schutzschicht 1042 auf, die auf der Oberfläche der Schutzschicht 1041 (d. h, die als eine erste Schutzschicht dient) aus MgAl₂O₄ Spinell gebildet ist, die vollständig auf dem Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, mittels Plasmasprühen in der gleichen Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform gebildet wird.
Die zweite Schutzschicht 1042 weist eine Dicke von 20 –60 μm und eine Porenrate von 20–50% auf und enthält Al₂O₃. Diese Porenrate ist größer als die erste Schutzschicht 1041.
Die zweite Schutzschicht 1042 wird hergestellt, indem die Oberfläche der ersten Schutzschicht 1041 in eine Aufschlämmung aus Al₂O₃ eingetaucht wird und dann die Wärmebehandlung der beschichteten Schicht.
Die Wirkung der zweiten Schutzschicht 1042 ist ausreichend, wenn die Meßelektrode 1011 durch die zweite Schutzschicht 1042 bedeckt ist. Gemäß dieser Anordnung erstreckt sich die zweite Schutzschicht 1042 von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position, die durch einen Abstand von 12 mm (= 0,48L) von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist. Jedoch ist es möglich die zweite Schutzschicht 1042 entlang der gesamten Oberfläche des Oberflächenbereichs 1013, der Gas aufnimmt, zu vergrößern.
Gemäß dieser Anordnung fängt die zweite Schutzschicht 1042 giftige Komponenten, die in dem Meßgas enthalten sind. So dass es möglich wird, zu verhindern, dass die Meßelektrode 1011 zerstört wird.
29 zeigt ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement 1001, das drei Schutzschichten aufweist.
Wie in 29 gezeigt, weist das Sauerstoff-Meßelement 1001 eine dritte Schutzschicht 1043 auf, die auf der Oberfläche der zweiten Schutzschicht 1042 gebildet ist, die auf der Oberfläche der ersten Schutzschicht 1041 aus MgAl₂O₄ Spinell gebildet ist, die vollständig auf dem Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, mittels Plasmasprühen in der gleichen Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform gebildet wird.
Die dritte Schutzschicht 1043 weist eine Dicke von 40 μm und eine Porenrate von 60% auf. Diese Porenrate ist größer als die zweite Schutzschicht 1042.
Ähnlich der zweiten Schutzschicht 1042 wird die dritte Schutzschicht 1043 hergestellt, indem die Oberfläche der zweiten Schutzschicht 1042 in eine Aufschlämmung aus Al₂O₃ eingetaucht wird und dann die Wärmebehandlung der beschichteten Schicht.
Ähnlich der zweiten Schutzschicht 1042 wird die Wirkung der dritten Schutzschicht 1043 ausreichend erhalten, wenn die Meßelektrode 1011 durch die dritte Schutzschicht 1043 bedeckt ist. Gemäß dieser Anordnung erstreckt sich die dritte Schutzschicht 1043 von der Elementspitze 1159 bis zu einer Position, die durch einen Abstand von 11 mm (= 0,44L) von der Elementspitze 1159 weg beabstandet ist.
Gemäß dieser Anordnung fängt die dritte Schutzschicht 1043 große giftige Komponenten, die in dem Meßgas enthalten sind. Dies ist wirksam, um zu verhindern, dass die zweite Schutzschicht 1042 durch giftige Elemente verdeckt wird.
30 offenbart ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement, das eine Meßelektrode aufweist, die in einem Bereich anders als dem distalen Ende der Meßelektrode gebildet wird.
Wie in 30 gezeigt, weist das Sauerstoff-Meßelement 1001 die Meßelektrode 1011 auf, dessen unteres Ende von der Elementspitze 1159 durch eine Höhendistanz von 3 mm beabstandet ist. Das obere Ende der Meßelektrode 1011 ist in einer 0,40L (= 10 mm) Position angeordnet.
Wie in der voran gegangenen Beschreibung beschrieben, wird die Meßelektrode 1011 über den Leitungsbereich 1111 mit dem Endbereich 1112 verbunden. Der Leitungsbereich 1111 weist eine Umfangsbreite von 1,5 mm auf. Der Endbereich 1112 weist eine Umfangsbreite von 7 mm und eine Längslänge von 4 mm auf. Der Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, weist eine Länge von 25 mm auf. Obwohl nicht gezeigt in der Zeichnung, weist der Wärme erzeugende Teil 1020 des Heizelements 1002 die Länge L2 von 4,0 mm auf. Die zentrale Position des Wärme erzeugenden Teils 1020 beträgt 5 mm weg von der Elementspitze 1159. Ein Abstand von 0,2 mm wird zwischen dem Heizelement 1002 und der inneren Oberfläche 1160 zur Verfügung gestellt. Die Meßelektrode 1011 weist eine Dicke von 1,5 μm auf.
Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie bei der Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird.
Gemäß dieser Anordnung ist das distale Ende des Sauerstoff-Meßelements 1001 halbkugelförmig. Falls das Tampondrucken (pad printing) angewendet wird, wird die Übertragung einer Pt-Paste auf diesen halbkugelförmigen Teil schwierig und kann notwendig werden, um jeweils das Tampondrucken (pad printing) durchzuführen. Jedoch weist diese Anordnung keine Elektrode in dem distalen Endbereich auf. So ist die Herstellung leicht.
Die 31A und 31B offenbaren ein anderes modifiziertes Sauerstoff-Meßelement, dass eine Meßelektrode aufweist, die teilweise auf der Umfangsoberfläche des Festelektrolytkörpers gebildet ist.
Wie in den 31A und 31B weist das Sauerstoff-Meßelement 1001 eine Meßelektrode 1011 auf, die sich von der Έlementspitze 1159 zu der 0,40L (= 10 mm) Position erstreckt. Diese Meßelektrode 1011 weist eine Umfangsbreite von 3 mm auf.
Wie in der vorangegangenen Beschreibung beschrieben, wird die Meßelektrode 1011 über den Leitungsbereich 1111 mit dem Endbereich 1112 verbunden. Der Leitungsbereich 1111 weist eine Umfangsbreite von 1,5 mm auf. Der Endbereich 1112 weist eine Umfangsbreite von 7 mm und eine Längslänge von 4 mm auf. Der Oberflächenbereich 1013, der Gas aufnimmt, weist eine Länge von 25 mm auf. Obwohl nicht gezeigt in der Zeichnung, weist der wäremerzeugende Teil 1020 des Heizelements 1002 die Länge L2 von 4,0 mm auf. Die zentrale Position des wäremerzeugenden Teils 1020 in einem Höhenabstand von 5 mm weg von der Elementspitze 1159 angeordnet. Ein Abstand von 0,2 mm wird zwischen dem Heizelement 1002 und der inneren Oberfläche 1160 zur Verfügung gestellt. Die Meßelektrode 1011 weist eine Dicke von 1,5 μm auf.
Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie bei der Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird.
Gemäß dieser Anordnung kann die Fläche der Meßelektrode 1011 minimiert werden. Dies ist effektiv, um die gesamte Menge des teueren Edelmetalls zu reduzieren. Die Herstellungskosten können so reduziert werden.
Es ist möglich die Umfänge der Meßelektrode 1011, des Leitungsbereichs 1111 und des Endbereichs 1112 anzugleichen. Die 32A und 32B zeigen ein Sauerstoff-Meßelement, das einen plattenartiges Heizelement aufweist, das einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Wie in der 32A gezeigt, weist das Sauerstoff-Meßelement 1001 einen Säulen-förmigen Festelektrolytkörper 1015, eine Meßelektrode 1011, die auf der äußeren Oberfläche 1150 des Festelektrolytkörpers 1015 gebildet ist und die Referenzgaskammer 1016 auf, die auf dem Festelektrolytkörper 1015 gebildet ist.
Ein vielschichtiges Heizelement 1002, das einen Wärme erzeugenden Teil aufweist, der durch Drucken auf einem Al₂O₃ Substrat gebildet wird, das einen recheckigen Querschnitt aufweist, wird in der Referenzgaskammer 1016 angeordnet.
Wie in 32B gezeigt, wird ein Abstand Wa (= 1,0 mm) zwischen der breiten Vorderseite des Heizelements und der inneren Oberfläche 1160 des Festelektrolytkörpers 1015 bereitgestellt. Ein Abstand Wb (= 0,85 mm) wird zwischen der schmalen Vorderseite des Heizelements 1002 und er inneren Oberfläche 1160 bereitgestellt.
Der Wärme erzeugende Teil des Heizelements 1002 weist eine Länge L2 von 9 mm auf. Die zentrale Position des Wärme erzeugenden Teils ist 7 mm weg von der Elementspitze 1159.
In diesem Fall wird der Abstand zwischen dem Heizelement 1002 und dem Festelektrolytkörper 1015 durch einen Durchschnitt der Abstände von den jeweiligen Vorderseiten des Heizelements 1002 ausgedrückt. Der Rest ist im wesentlichen der gleiche wie die Anordnung, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart wird.
Diese Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne sich von den wesentlichen Eigenschaften davon zu entfernen. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen wie beschrieben, sind daher nur als illustrativ und nicht beschränkend vorgesehen, da der Schutzbereich der Erfindung durch die anhängenden Ansprüche definiert wird als durch die diesen vorausgehende Beschreibung.

Claims

Sauerstoff-Meßelement, das einen säulenförmigen Festelektrolytkörper (1015) aufweist, der ein geschlossenes Ende und einen inneren Raum aufweist, der als Referenzgaskammer (1016) in dem Festelektrolytkörper dient, wobei eine Meßelektrode (1011) auf einer Aussenfläche (1050) von dem Festelektrolytkörper zur Verfügung gestellt wird, eine Referenzelektrode (1012) auf einer Innenfläche (1160) des Festelektrolytkörpers zur Verfügung gestellt wird, der diese Referenzgaskammer begrenzt und ein Heizelement (1002), das einen Wärme erzeugenden Bereich (1020) aufweist, wobei dieses Heizelement (1002), das in dieser Referenzgaskammer (1016) angeordnet ist und Wärme in Reaktion auf zugeführte elektrische Energie erzeugt, wobei ein Gas aufnehmender Oberflächenbereich (1013), der exponiert ist, um Gas zu messen, wenn das Sauerstoff-Meßelement betrieben wird, auf der Aussenfläche des Sauerstoff-Meßelements zur Verfügung gestellt wird, um sich so von einem distalen Ende (1159) des Sauerstoff-Meßelements zu einer Position, die durch eine Distanz L weg von dem distalen Ende (1159) beabstandet ist, zu erstrecken, wobei die Meßelektrode (1011) eine Länge L1 gleich oder größer als 0,2L in einer Längsrichtung des Sauerstoff-Meßelements aufweist, wobei die Meßelektrode (1011) vollständig in einem Bereich angeordnet ist, der sich von dem distalen Ende (1159) des Sauerstoff-Meßelements zu einer Position, die durch eine Distanz 0,8L weg von dem distalen Ende (1159) beabstandet ist, erstreckt und wobei die Meßelektrode (1011) eine Dicke von 0,5–3,0 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßelektrode (1011) in einer Position gegenüber zumindest einer zentralen Position des wärmeerzeugenden Bereichs (1020) in einer Längsrichtung des Sauerstoff-Meßelements angeordnet ist und der wärmeerzeugende Bereich (1020) eine Länge L2 in der Längsrichtung des Sauerstoff-Meßelements aufweist, so dass die Beziehung 1,0 ≤ L1/L2 ≤ 4,0 erfüllt wird.
Sauerstoff-Meßelement nach Anspruch 1, wobei der Wärme erzeugende Bereich (1020) eine Länge L2 von 3–12 mm aufweist.
Sauerstoff-Meßelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge L des Gas empfangenden Oberflächenbereichs (1013) in einem Bereich von 15–30 mm liegt.
Sauerstoff-Meßelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Meßelektrode (1011) mittels chemischen Beschichtens hergestellt wird.
Sauerstoff-Meßelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Referenzelektrode (1012) und die Meßelektrode (1011) in entgegengesetzter Beziehung über den Festelektrolytkörper (1015) angeordnet sind.
Sauerstoff-Meßelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Abstand von 0,05 bis 1,0 mm zwischen dem Heizelement (1002) und der Innenfläche (1160) des Festelektrolytkörpers (1015) in einer Längsposition, die zu der Meßelektrode korrespondiert, besteht.