DE69833592T2

DE69833592T2 - Verbesserte Struktur eines Sauerstoffsensorelements

Info

Publication number: DE69833592T2
Application number: DE69833592T
Authority: DE
Inventors: Kiyomi Kariya-shi Kobayashi; Namitsugu Kariya-shi Fujii; Yasumichi Kariya-shi Hotta; Hiromi Kariya-shi Sano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: JPH1151899A; US6344118B1; EP0896219B1; JP3956435B2; DE69833592D1; EP0896219A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Verbesserung eines Sauerstoffmessfühlelements, das in einem Sauerstoffsensor verwendet werden kann, der in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors für Automobile installiert ist, um einen Sauerstoffgehalt in Abgasen zu messen.
2. Stand der Technik
Für eine Verbrennungssteuerung von Kraftstoff ist ein Luft-Kraftstoffverhältnissensor in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors für Automobile installiert, um ein Luft-Kraftstoffverhältnis zu messen. Solch ein Luft-Kraftstoffverhältnissensor ist gewöhnlich mit einem Sauerstoffsensor realisiert, der in sich ein Sauerstoffmessfühlelement angeordnet hat, das aus einem Festelektrolyt gemacht ist, der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat.
Als solch ein Sauerstoffmessfühlelement ist eine Struktur aus dem Stand der Technik bekannt, die aus einem becherförmigen Festelektrolytkörper besteht, der eine atmosphärische Kammer, die in ihm definiert ist, eine Außenelektrode, die an einer Außenfläche von ihm angeordnet ist, und eine Innenelektrode hat, die an einer Innenfläche von ihm angeordnet ist und die zu der atmosphärischen Kammer freiliegt. Die Struktur hat auch ein Keramikheizelement, das in der atmosphärischen Kammer installiert ist, um das Sauermessfühlelement schnell auf eine Aktivierungstemperatur aufzuheizen.
Die Außenelektrode ist ausgebildet durch Aufbringung einer leitenden Paste, die aus Edelmetallpulver gemacht ist, das in einem organischen Bindeelement verteilt ist, auf die Außenfläche des Festelektrolytkörpers und durch Backen bzw. Brennen dieser leitenden Paste.
Die Außenelektrode kann alternativ ausgebildet sein durch Verwendung einer anderen Technik wie ein chemischer Überzug, chemisches Bedampfen oder physikalisches Bedampfen.
In vergangenen Jahren wurde das Sauerstoffmessfühlelement, das die Elektroden hat, die in der Weise ausgebildet sind, die vorstehend beschrieben ist, hervorgehoben für eine hohe Ausgabe, und für geeignet befunden für eine Verwendung in Sauerstoffsensoren, die erfordert sind, um hohe Ausgaben vorzusehen, besonders innerhalb einem Niedrigtemperaturbereich unterhalb von 400°C.
Gewöhnlich wird eine leitende Paste bei 1400 bis 1500°C gebacken, während eine chemische Überzugschicht bei 800 bis 1000°C gebacken bzw. ausgebrannt wird. Der chemische Überzug realisiert somit einen Sensor mit hoher Ausgabe mit verbesserter katalytischer Aktivität. Der Grund, warum die Backtemperatur der leitenden Paste höher ist als die der chemischen Überzugschicht ist der, dass es notwendig ist, Platinpulver zu backen, das eine Körnergröße in der Ordnung von 0,5 bis 1 μm hat.
Die Außenelektrode mit der verbesserten katalytischen Aktivität, die durch Verwendung des chemischen Überzugs ausgebildet worden ist, hat jedoch die folgenden Nachteile.
4 stellt eine Beziehung zwischen einer Außenflächentemperatur, die bei einem Abschnitt eines Festelektrolytkörpers eines Sauerstoffmessfühlelements gemessen wird, und einem Abstand zu dem Abschnitt des Festelektrolytkörpers seinem Kopf dar. Die Beziehung zeigt, dass die Außenflächentemperatur des Festelektrolyts im Wesentlichen konstant um den Kopf von diesem herum ist, während sie plötzlich über festgelegte Grenze zu einer Basis des Festelektrolytkörpers abfällt. Dies ist so, weil ein Abschnitt des Sauerstoffmessfühlelements, das einem Keramikheizelement gegenüberliegt, wie in 1 gezeigt ist, gleichförmig aufgeheizt wird, während der andere Abschnitt entfernt von dem Keramikheizelement eine niedrigere Temperatur hat. Somit ist die Ausgabe von der Basis der Außenelektrode, die in dem chemischen Überzug ausgebildet ist, wie von der Zeichnung gesehen werden kann, höher als die einer Elektrode, die aus einer leitenden Paste gemacht ist, in beiden Fällen, wo die Dicke der Außenelektrode 0,5 μm und 1,5 μm ist. Die Gesamtausgabe von der Außenelektrode ist eigentlich die Summe der Ausgaben von dem Kopf und der Basis von ihr, aber die Ausgabe von der Basis von der Außenelektrode wird niedriger sein als die von dem Kopf, wenn die Basis eine geringere Dicke hat als der Kopf, so dass die Ausgabe von dem Sauerstoffmessfühlelement unzureichend für eine Funktionseigenschaft sein kann.
In den vergangenen Jahren ist die Temperatur, bei der das Sauerstoffmessfühlelement verwendet wird, weiter angestiegen, was zu einer Verschlimmerung des zuvor beschriebenen Problems führt. Insbesondere eine Erhöhung einer Umgebungstemperatur bewirkt, dass ein Temperaturunterschied zwischen dem Kopf und der Basis des Sauerstoffmessfühlelements erhöht wird, was zu einem starken Unterschied der Ausgaben zwischen diesen führt. Die Gesamtausgabe von dem Sauerstoffmessfühlelement hängt somit sehr stark von der Ausgabe von der Basis von diesem ab.
Die Verwendung eines Keramikheizelements, das eine große Menge von Hitze produziert, die ausreichend ist, um die Temperatur der Gesamtheit der Außenelektrode gleichförmig ansteigen zu lassen, kann vorgeschlagen werden, aber dies kann bewirken, dass die Gesamttemperatur des Sauerstoffmessfühlelements erhöht wird, höher als die Temperatur, der ein Filter, Zuleitungen und ein Heizlötmetall widerstehen kann.
US 3,978,006 offenbart einen elektrochemischen Sauerstoffsensor mit einer Innenelektrode und einer Außenelektrode in der Form einer Platinschicht, die nur den Kopfabschnitt des Festelektrolytrohrs bedeckt. Die Außenelektrode hat eine Dicke im Bereich von Millimikrometern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung an einem Sauerstoffmessfühlelement vorzusehen, das einen Sauerstoffgehalt in Gasen mit hoher Genauigkeit messen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sauerstoffmessfühlelement für ein Messen eines Sauerstoffgehalts in Gasen gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 vorgesehen.
Die Dicke der zweiten Außenelektrode ist innerhalb einem Bereich von 0,3 bis 2,4 μm.
Das Verhältnis der Dicke der zweiten Außenelektrode zu der Dicke der Außenelektrode ist innerhalb einem Bereich von 0,25 bis 0,8.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger verstanden von der detaillierten Beschreibung, die nachstehend aufgeführt ist, und von den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die jedoch nicht herangezogen werden sollten, um die Erfindung auf die spezifische Ausführungsform zu beschränken, sondern nur zur Erklärung und zum Verständnis.
In den Zeichnungen ist/sind:
1 eine Teilquerschnittansicht, die ein Sauerstoffmessfühlelement gemäß der Erfindung zeigt;
2(a) und 2(b) perspektivische Ansichten, die Strukturen von Kopf- und Basiselektroden des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigen;
3 eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Sauerstoffsensor zeigt, indem das Sauerstoffmessfühlelement von 1 installiert ist;
4 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Außenflächentemperatur, die bei einem Abschnitt eines Festelektrolytkörpers eines Sauerstoffmessfühlelements gemessen wird, und dem Abstand zu dem Abschnitt des Festelektrolytkörpers von dem Kopf von diesem zeigt;
5 eine Tabelle, die elektrische und physikalische Eigenschaften von Sauerstoffmessfühlelementproben zeigt, die dieselbe Struktur haben wie das, das in 1 gezeigt ist, und an denen eine Kopfelektrode und eine Basiselektrode ausgebildet sind, die verschiedene Dicken innerhalb Bereichen von 1,0 μm bis 5,0 μm und 0,5 μ bis 1,5 μm haben;
6(a) und 6(b) perspektivische Ansichten, die die erste und zweite Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigen;
7(a) und 7(b) perspektivische Ansichten, die die dritte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigen;
8(a) eine perspektivische Ansicht, die die vierte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigt;
8(b) eine perspektivische Ansicht, die die fünfte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigt;
9 eine perspektivische Ansicht, die die sechste Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigt;
10(a) eine perspektivische Ansicht, die die siebte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigt; und
10(b) eine perspektivische Ansicht, die die achte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements von 1 zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, 2(a) und 2(b), ist ein Sauerstoffmessfühlelement 1 für eine Verwendung in einem Sauerstoffsensor gezeigt, der in einem Abgassystem eines Automobilverbrennungsmotors installiert ist, um einen Sauerstoffgehalt in Abgasen zu messen, wobei eine sauerstoffkonzentrationsabhängige elektromotorische Kraft oder ein Grenzstrom verwendet wird.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 hat im Allgemeinen einen becherförmigen festen Elektrolytkörper 10 und eine Kopfelektrode 11, die aus einem metallischen Material mit hoher katalytischer Aktivität wie Pt, Ru, Pd, Rh oder Re gemacht ist. Die Kopfelektrode 11 ist, wie in 2(a) gezeigt ist, an einer Außenendfläche des Festelektrolytkörpers 10 innerhalb einem Bereich von 80% der Länge L eines gasausgesetzten Abschnitts 115 des Sauerstoffmessfühlelements 1 ausgebildet, und hat eine Länge M, die gleich 0,69 L ist. Die Dicke der Kopfelektrode 11 ist 1,5 μm.
Der Festelektrolytkörper 10 hat einen Basisabschnitt 119. Der Basisabschnitt 119 hat an sich eine Basiselektrode 12 ausgebildet, die eine Dicke von 0,5 μm hat, die kleiner ist als die der Kopfelektrode 11. Die Basiselektrode 12 und die Kopfelektrode 13 können durch einen chemischen Überzug, eine chemische Bedampfung, eine physikalische Bedampfung, Sputtern, oder Anwendung eines organischen metallischen Komplexes gemacht sein.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 ist so entwickelt, dass ein Unterschied zwischen Ausgabespannungen, der bei einer Umgebungstemperatur von 400°C produziert wird, wenn λ (Überschussluftfaktor) = 0,9 (fette Seite) und wenn λ = 1,1 (magere Seite), größer ist oder gleich zu 0,65 V.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1, wie klar in 1 gezeigt ist, definiert innerhalb des Festelektrolytkörpers 10 eine atmosphärische Kammer 15, innerhalb der ein keramisches Heizelement 19 angeordnet ist. Das keramische Heizelement 19 heizt das Sauerstoffmessfühlelement 11 schnell auf eine Aktivierungstemperatur auf. Eine Innenelektrode 13 ist an einer Innenwand des Festelektrolytkörpers 12 innerhalb der atmosphärischen Kammer 15 ausgebildet. Das Sauerstoffmessfühlelement 1 dieser Erfindung ist, wie vorstehend beschrieben ist, entwickelt, um einen Sauerstoffgehalt in Gasen zu messen, wobei die sauerstoffkonzentrationsabhängige elektromotorische Kraft oder der Grenzstrom verwendet werden. Genauer gesagt wird die Messung des Sauerstoffgehalts unter Verwendung der sauerstoffkonzentrationsabhängigen elektromotorischen Kraft durch ein Bestimmen eines Ausgabespannungsunterschieds zwischen der Innenelektrode 13 und einer Außenelektrode (d.h. der Basiselektrode 12 und der Kopfelektrode 13) erreicht, der von der Sauerstoffkonzentration in den Gasen abhängt. Die Messung des Sauerstoffgehalts unter Verwendung des Grenzstroms wird durch Aufbringen einer festgelegten Spannung über die Innenelektrode 13 und die Außenelektrode erreicht, um einen Grenzstrom zu erfassen, der von der Sauerstoffkonzentration in den Gasen abhängt. Diese Techniken sind in dem Stand der Technik bekannt, und auf eine detaillierte Erklärung von diesen wird hier verzichtet.
Die Kopfelektrode 11 hat eine zweilagige Struktur und ist aus einem Laminat gemacht, das aus einer Innenlage 111 und einer Außenlage 112 besteht. Die Basiselektrode 12 hat eine einlagige Struktur und besteht nur aus einem Teil der Außenlage 112.
Der Festelektrolytkörper 10, wie klar in 2(a) und 2(b) gezeigt ist, hat an sich einen angeflanschten Abschnitt mit einer sich verjüngenden Fläche 161 ausgebildet. Die sich verjüngende Fläche 161 greift mit einem Gehäuse 30 eines Sauerstoffsensors 3 ein, wie nachstehend im Detail diskutiert wird, wenn das Sauerstoffmessfühlelement in das Gehäuse 30 installiert wird. Im Speziellen entspricht ein Abschnitt des Sauerstoffmessfühlelements 1 unterhalb der sich verjüngenden Fläche 161 dem gasausgesetzten Abschnitt 115.
Angeordnet an Außenflächen der Kopfelektrode 11 und der Basiselektrode 12 ist eine schützende Schicht 18, die aus zwei Lagen gemacht sein kann: eine erste Lage, die durch thermisches Spritzen ausgebildet ist, wobei Spinell verwendet wird, und eine zweite Lage, die aus Aluminium gemacht ist. Obwohl nicht dargestellt, hat das Sauerstoffmessfühlelement 1 Ausgabeanschlüsse und Zuleitungen oder leitende Abschnitte, die mit den Ausgabeanschlüssen und den zuvor beschriebenen Elektroden verbunden sind.
3 zeigt den Sauerstoffsensor 3, in dem das Sauerstoffmessfühlelement 1 installiert ist.
Der Sauerstoffsensor 3 hat im Allgemeinen das Gehäuse 30, in das das Sauerstoffmessfühlelement 1 eingesetzt ist. Eine doppelwandige Abdeckung 330 ist an der Unterseite des Gehäuses 30 montiert, um den Kopfabschnitt 110 des Sauerstoffmessfühlelements 1 zu schützen, und definiert darin eine Gaskammer 33. Der Sauerstoffsensor 3 hat des Weiteren drei zylindrische Abdeckungen 31, 32 und 33, die Luft ausgesetzt sind.
Das keramische Heizelement 19, das aus einem keramischen Stangenelement gemacht ist, wie schon diskutiert worden ist, ist innerhalb der atmosphärischen Kammer 15 mit einem festgelegten Abstand zwischen sich selbst und der Innenwand der atmosphärischen Kammer 15 angeordnet.
Ein elastisches Isolierelement 39, durch das Zuleitungen 391, 392 und 393 hindurchgehen, ist in eine Endöffnung der Abdeckung 32 eingepasst. Die Zuleitungen 391 und 392 erfassen Sensorsignale, die in dem Festelektrolytkörper 10 produziert werden, und geben diese zu einer externen Vorrichtung aus. Der Zuleitungsdraht 393 führt die Energie zu dem keramischen Heizelement 19 zu.
Anschlussverbindungselemente 383 und 384 sind im Inneren der Abdeckung 32 angeordnet und verbinden die Zuleitungen 391 und 392 mit Anschlüssen 381 und 382, die zu Anschlüssen (nicht dargestellt) führen, die an dem Sauerstoffmessfühlelement 1 montiert sind.
In einem Herstellprozess des Sauerstoffmessfühlelements 1 wird ein Zirkoniummaterial zuerst zu einem Becher geformt, wie in 1, 2(a) und 2(b) gezeigt ist, und dann gebacken, um den Festelektrolytkörper 10 zu produzieren. Platinkerne werden an einer Innen- und Außenwand des Festelektrolytkörpers 10 in einer Desoxidation niedergeschlagen bzw. ausgefällt, wobei eine Chlorplatinsäurelösung und ein Reduziermittel verwendet wird, und werden dann getrocknet.
Anschließend wird ein in dieser Weise ausgebildeter fester Elektrolytkörper 10 getrocknet. Die Platinkerne werden chemisch mit Platin beschichtet, um dünne Filme auszubilden, die eine Dicke von 0,5 μm haben, und werden dann bei 1000°C für eine Stunde gebacken, um die Innenlage 111 und die Innenelektrode 13 zu produzieren.
Als eine Alternative zu dem Ausbilden der Innenelektrode 13 zusammen mit der Innenlage 111 in der zuvor beschriebenen Weise, kann die Innenelektrode 13 zur selben Zeit ausgebildet werden, bei der die Außenlage 112 ausgebildet wird, oder bei die Außenlage 112 und die Innenlage 111 ausgebildet werden.
In der selben Weise wie die, um die Innenlage 111 und die Innenelektrode 13 zu produzieren, wird die Außenlage 112, die eine Dicke von 1 μm hat, über der Innenlage 111 und einem Abschnitt der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 benachbart zu der Innenlage 111 ausgebildet, um die zweilagige Kopfelektrode 11 und die einlagige Basiselektrode 12 zu produzieren.
Schließlich wird eine poröse Lage, die aus Aluminiumspinell gemacht ist, in einem Plasmaspritzen über der Kopfelektrode 111 und der Basiselektrode 12 ausgebildet, um die schützende Schicht 18 zu produzieren.
Als eine Alternative zum Backen des Festelektrolytkörpers 10, nach dem die dünnen Filme an der Innenwand und der Außenwand des Festelektrolytkörpers 10 für ein Produzieren der Innenlage 111 und der Innenelektrode 13 ausgebildet worden sind, kann der Festelektrolytkörper 10 gebacken werden, nachdem die Innenlage 111 und die verbleibende Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 chemisch beschichtet worden sind, um die Außenlage 112 auszubilden. Im Speziellen werden Platinkerne in derselben Weise wie diese ausgebildet, um die Innenlage 111 und die Innenelektrode 13 an einem Abschnitt der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 auszubilden, an dem die Innenlage 111 und die Außenlage 112 ausgebildet werden sollen. Der Festelektrolytkörper 10 wird dann vollständig in ein Platinbad eingetaucht, um eine Ablagerung, die eine Dicke von 1 μm hat, an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 aufzubauen. Als nächstes wird der Festelektrolytkörper 10 teilweise von dem Platinbad entnommen, um den Basisabschnitt 119 Luft auszusetzen, wobei nur der Kopfabschnitt 110 in dem Platinbad verbleibt, um eine zusätzliche Ablagerung aufzubauen, die eine Dicke von 0,5 μm hat, und wird gebacken, um die Kopfelektrode 11 und die Basiselektrode 12 auszubilden.
5 ist eine Tabelle, die elektrische und physikalische Eigenschaften des Sauerstoffmessfühlelements 1 der Erfindung zeigt. Proben 1 bis 14 zeigen Sauerstoffmessfühlelemente, die dieselbe Struktur wie das haben, das in 1, 2(a) und 2(b) gezeigt ist, und an denen die Kopfelektrode 11 und die Basiselektrode 12 ausgebildet sind, die unterschiedliche Dicken innerhalb Bereichen von 1,0 μm bis 5 μm und 0,5 μm bis 1,5 μm haben. Ausgaben (V) stellen Spannungsunterschiede dar, die von den Proben 1 bis 14 ausgegeben werden, die bei einer Umgebungstemperatur von 400°C gemessen werden, wenn λ (überschussluftfaktor) = 0,9 (fette Seite) und λ = 1,1 (magere Seite). Einige der Proben 1 bis 14, deren Ausgangsspannungsunterschiede größer sind als 0,65 V, sind durch „0" gekennzeichnet.
Die Hitzewiderstandsfähigkeitstests wurden für alle die Proben bei 900°C für 500 Stunden durchgeführt. Nach den Tests wurde der Grad der Aggregation der Kopfelektrode 11 in einer Bildanalyse gemessen, wobei ein SEM verwendet wurde, um eine offene Porosität der Kopfelektrode 11 zu bestimmen. Einige der Proben 1 bis 14, deren offene Porositäten weniger als 50% waren, sind durch „0" gekennzeichnet. Die offene Porosität weniger als 50% zeigt einen kleineren Grad von Aggregation der Kopfelektrode 11, was eine höhere Hitzewiderstandsfähigkeit darstellt.
Die Tabelle in 5 zeigt, dass Proben 1 bis 10 höhere Ausgabespannungen produzieren und höhere Hitzewiderstandsfähigkeiten haben, während Proben 11 und 12 niedrigere Hitzewiderstandsfähigkeiten haben und Proben 13 und 14 niedrigere Ausgabespannungen produzieren. Im Speziellen wurde herausgefunden, dass das Sauerstoffmessfühlelement, in dem die Kopfelektrode 11 die Dicke hat, die von 1,2 bis 3,0 μm reicht, die Basiselektrode 12 die Dicke hat, die von 0,3 bis 2,4 μm reicht, und ein Dickenverhältnis (die Dicke der Basiselektrode 12/die Dicke der Kopfelektrode 11) innerhalb einem Bereich von 0,25 bis 0,8 ist, eine höhere Ausgabespannung vorsieht und eine höhere Hitzewiderstandsfähigkeit zeigt.
Die Kopfelektrode 11 ist, wie vorstehend beschrieben ist, über eine begrenzte Endfläche des gasausgesetzten Abschnitts 115 (quer) über den Kopfabschnitt 110 angeordnet.
Ein Abschnitt des Festelektrolytkörpers 10, an dem die Kopfelektrode 11 montiert ist, wie in 4 gesehen werden kann, zeigt hohe Oberflächentemperaturen, die eien gleichförmige Verteilung haben, wodurch eine im Wesentlichen konstante Ausgabe von dem Sauerstoffmessfühlelement 1 resultiert. Genauer gesagt sieht das Sauerstoffmessfühlelement 1 der Erfindung eine Ausgabe vor, die genau proportional zu der Sauerstoffkonzentration ist.
Die Kopfelektrode 11 hat eine kleinere Dicke als die Basiselektrode 12. Wie von 4 gesehen werden kann, je kleiner die Dicke der Elektrode des Sauerstoffmessfühlelements ist, desto kleiner ist ein Ausgabeunterschied zwischen dem Kopfabschnitt 110 und dem Basisabschnitt 119. Die dünnere Elektrode bringt jedoch das Problem hervor, dass die Hitzewiderstandsfähigkeit gering ist. Um das Problem zu verringern, hat das Sauerstoffmessfühlelement 1 der Erfindung die dicke Kopfelektrode 11, die an dem Endabschnitt ausgebildet ist, der eine höhere Hitzewiderstandsfähigkeit erfordert, der von der Spitze zu 0,69 L reicht, und die dünne Basiselektrode 12, die an einem benachbarten Abschnitt oberhalb von 0,69 L ausgebildet ist, der eine Dicke hat, die ermöglicht, dass der Basisabschnitt 119 eine Ausgabespannung produziert, die im Wesentlichen gleich zu der ist, die durch die Basiselektrode 12 produziert wird. Deshalb sieht das Sauerstoffmessfühlelement 1 der Erfindung eine Ausgabe, wie durch eine gestrichelte Linie in 4 angezeigt ist, bei dem Kopfabschnitt 110 (α in 4), der vor einer Grenze gelegen ist, die bei einem Intervall (Abstand) von 0,69 L weg von der Spitze des Sauerstoffmessfühlelements 1 definiert ist, und eine Ausgabe, wie durch eine gepunktete Linie angezeigt ist, bei dem Basisabschnitt 119 (β in 4) vor, der hinter der Grenze gelegen ist.
6(a) und 6(b) zeigen eine erste und zweite Modifikationen des Sauerstoffmessfühlelements 1. Das Sauerstoffmessfühlelement 1 von 6(a) hat die Kopfelektrode 11, deren Länge M 0,34 L ist, während das Sauerstoffmessfühlelement 1 von 6(b) eine Gesamtlänge (von dem Kopfabschnitt 110 zu dem Basisabschnitt 119) hat, die kürzer ist als die in 6(a), und hat die Kopfelektrode 11, deren Länge M 0,59 L ist.
7(a) und 7(b) zeigen eine dritte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements 1. Das Sauerstoffmessfühlelement 1 hat, wie in 7(b) gezeigt ist, eine leitende Zuleitung 125, die im Inneren der Basiselektrode 12 (d.h. der Außenlage 112) ausgebildet ist. Die leitende Zuleitung 125 ist, wie in 7(a) gezeigt ist, aus einer Verlängerung 113 der Innenlage 111 gemacht, und hat eine Dicke, die größer ist, als die der Basiselektrode 12, so dass sie einen kleineren elektrischen Widerstand für ein Sicherstellen der Erfassung einer Ausgabe von der Kopfelektrode 11 hat.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend beschrieben, die einen organischen metallischen Komplex für ein Produzieren des Sauerstoffmessfühlelements 1 verwendet.
Zuerst wird ein Zirkoniummaterial zu einem Becher geformt, wie in 1, 2(a) und 2(b) gezeigt ist, und dann gebacken, um den Festelektrolytkörper 10 zu produzieren. Eine organische metallische Paste oder eine Lösung (Lösemittel: Terpin), die einen Benzylidenplatinverbund oder Balsamplatin enthält, das ein organischer metallischer Komplex ist, wird vorbereitet und auf die Innen- und Außenwand des Festelektrolytkörpers 10 aufgebracht, wobei Siebdrucken, Kissendrucken oder Rollübertragungstechniken verwendet werden.
Anschließend wird der auf diese Weise ausgebildete Festelektrolytkörper 10 einer Hitzebehandlung bei 1000°C unterzogen, um Platinschichten, die eine Dicke von 0,5 μm haben, an dem Festelektrolytkörper 10 niederzuschlagen bzw. auszufällen, wodurch die Innenlage 111 und die Innenelektrode 13 produziert werden.
In der selben Weise, um die Innenlage 111 und die Innenelektrode 13 zu produzieren, wird die Außenlage 112, die eine Dicke von 1,0 μm hat, über der Innenlage 111 und einem Abschnitt der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 benachbart zu der Innenlage 111 ausgebildet, um die zweilagige Kopfelektrode 11 und die einlagige Basiselektrode 12 zu produzieren.
Andere Schritte sind identisch mit denjenigen der ersten Ausführungsform und auf eine Erklärung von diesen im Detail wird hier verzichtet.
Die Innenelektrode 13 kann zu derselben Zeit ausgebildet werden, bei der die Außenlage 112 ausgebildet wird, oder bei der die Außenlage 112 und die Innenlage 111 ausgebildet werden.
Die organische metallische Paste oder Lösung kann auf den Festelektrolytkörper 10 aufgebracht, um Beschichtungen auszubilden, die eine erforderliche Dicke haben, zum Beispiel durch den Kissendruck, und kann getrocknet werden, nachdem der Festelektrolytkörper 10 gebacken worden ist, um die Basiselektrode 12 und die Kopfelektrode 11 zusammen mit der Innenelektrode 13 zu produzieren.
8(a), 8(b) und 9 zeigen vierte bis sechste Modifikationen des Sauerstoffmessfühlelements 1, von denen jede nur die Kopfelektrode 11 hat, die an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 10 angeordnet ist.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 in 8(a) hat die Kopfelektrode 11, deren Länge M 0,34 L ist. Ein Anschluss 172, der mit der Kopfelektrode 11 durch eine Zuleitung 171 verbunden ist, ist an einer Umfangsfläche des Basisabschnitts 119 montiert, für ein Erfassen einer Ausgabe der Kopfelektrode 11.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 in 8(b) ist identisch in der Struktur mit dem, das in 8(a) gezeigt ist, aber unterscheidet sich von diesem dadurch, dass die Länge M der Kopfelektrode 11 0,59 L ist.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 in 9 hat die Kopfelektrode 11, die aus einer hohlen zylindrischen Lage gemacht ist, die die Länge M hat, die 0,23 L ist. Die Kopfelektrode 11 ist mit dem Anschluss 172 durch die Zuleitung 171 verbunden, und ist bei einem Intervall (Abstand) von 0,59 L weg von der Spitze des Festelektrolytkörpers 10 gelegen.
Die Zuleitung 171 und der Anschluss 172 in 8(a) bis 9 können durch Verwendung einer Platinpaste gemacht sein.
10(a) und 10(b) zeigen eine siebte und achte Modifikation des Sauerstoffmessfühlelements 1, von denen jede die Kopfelektrode 11 hat, die aus einer hohlen zylindrischen Lage gemacht ist.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 in 10(a) hat an sich die Basiselektrode 12 und die Kopfelektrode 11 ausgebildet, die die Länge M hat, die 0,56 L ist. Ein unteres Ende, wie in der Zeichnung gesehen werden kann, der Kopfelektrode 11 ist bei einem Intervall (Abstand) von 0,69 L weg von der Spitze des Festelektrolytkörpers 10 gelegen.
Das Sauerstoffmessfühlelement 1 in 10(b) ist identisch in der Struktur mit dem, das in 10(a) gezeigt ist, aber unterscheidet sich von diesem dadurch, dass die Kopfelektrode 11 die Länge M hat, die 0,37 L ist und bei dem unteren Ende bei einem Intervall (Abstand) von 0,47 L weg von der Spitze des Festelektrolytkörpers 10 gelegen ist.
Wie von dem Vorstehenden offensichtlich ist, ist keine Elektrode an dem Kopfabschnitt 110 ausgebildet, wo eine Aggregation einer Elektrode beabsichtigt ist, wodurch eine Änderung der Sensorleistung aufgrund einer Verschlechterung der Haltbarkeit minimiert wird.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform offenbart wurde, um ein besseres Verständnis von dieser zu ermöglichen, sollte es klar erkennbar sein, dass die Erfindung in verschiedenen Arten ausgeführt werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Deshalb sollte die Erfindung dahingehend verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen zu den gezeigten Ausführungsformen umfasst, die ausgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angehängten Ansprüchen dargelegt ist.
Eine verbesserte Struktur eines Sauerstoffmessfühlelements ist vorgesehen, das in einem Sauerstoffsensor installiert ist, der entwickelt ist, um einen Sauerstoffgehalt in Gasen zu messen. Die Struktur hat einen becherförmigen Festelektrolytkörper, eine Innenelektrode und eine Außenelektrode. Der Festelektrolytkörper hat einen Abschnitt, der den Gasen ausgesetzt ist, der eine festgelegte Länge hat. Die Innenelektrode ist an einer Innenwand des Festelektrolytkörpers ausgebildet und Luft ausgesetzt. Die Außenelektrode ist an einer Außenwand des Festelektrolytkörpers ausgebildet und den Gasen durch eine schützende Lage ausgesetzt. Der Sauerstoffgehalt in den Gasen wird auf Basis von Ausgabesignalen von der Innen- und der Außenelektrode gemessen. Die Außenelektrode nimmt einen Bereich (Fläche) an der Außenwand des Festelektrolytkörpers innerhalb einem Bereich von 80% der festgelegten Länge des Gas ausgesetzten Abschnitts des Festelektrolytkörpers ein, und hat eine Dicke, die von 1,2 μm bis 3,0 μm reicht. Dies ermöglicht, dass das Sauerstoffmessfühlelement den Sauerstoffgehalt in den Gasen präzise bestimmt und eine verbesserte Hitzewiderstandsfähigkeit hat.

Claims

Sauerstoffmessfühlelement (1) zum Messen eines Sauerstoffgehalts in Gasen mit: einem becherförmigen Festelektrolytkörper (10), der einen Abschnitt hat, der den Gasen ausgesetzt ist und der eine vorgegebene Länge (L) hat; einer Innenelektrode (13), die an einer Innenwand des Festelektrolytkörpers (10) ausgebildet ist, um ein Ausgabesignal vorzusehen; und wenigstens einer ersten Außenelektrode (11), die an einer Außenwand des Festelektrolytkörpers (10) ausgebildet ist, um ein Ausgabesignal vorzusehen, zum Bestimmen des Sauerstoffsgehalts in den Gasen auf Basis der Ausgabesignale von der Innen- (13) und Außenelektrode (11), wobei die erste Außenelektrode (11) einen Bereich an der Außenwand des Festelektrolytkörpers einnimmt, der höchstens innerhalb einem Bereich von 80% der vorgegebenen Länge (L) des gasausgesetzten Abschnitts des Festelektrolytkörpers (10) ist, wobei sich der Bereich von dem oberen Ende des Festelektrolytkörpers (10) zu einem unteren Abschnitt von ihm erstreckt, und wobei die erste Außenelektrode (11) eine Dicke hat, die von 1,2 bis 3,0 μm reicht, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren eine zweite Außenelektrode (12) hat, die an einem Abschnitt der Außenwand des Festelektrolytkörpers (10) benachbart zu der ersten Außenelektrode (11) ausgebildet ist und die eine Dicke hat, die geringer ist als die der ersten Außenelektrode (11).
Sauerstoffmessfühlelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke der zweiten Außenelektrode (12) innerhalb einem Bereich von 0,3 bis 2,4 μm ist.
Sauerstoffmessfühlelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Dicke der zweiten Außenelektrode (12) zu der Dicke der ersten Außenelektrode innerhalb einem Bereich von 0,25 bis 0,8 ist.