EP0733202A1 - Elektrochemischer messfühler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Elektrochemischer messfühler und verfahren zu seiner herstellung

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EP0733202A1
EP0733202A1 EP95931132A EP95931132A EP0733202A1 EP 0733202 A1 EP0733202 A1 EP 0733202A1 EP 95931132 A EP95931132 A EP 95931132A EP 95931132 A EP95931132 A EP 95931132A EP 0733202 A1 EP0733202 A1 EP 0733202A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
housing
sealing
bed
sealing element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95931132A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Hermann Friese
Helmut Weyl
Anton Hans
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0733202A1 publication Critical patent/EP0733202A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical sensor for determining the oxygen content of gases, in particular for determining the oxygen content in exhaust gases from internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and to a method for producing the meter according to the preamble of claim 9.
  • Electrochemical sensors of the generic type are known. These are designed, for example, in a so-called finger design, in which a solid electrolyte body forms a sensor element which is tightly fixed as a closed tube in a metallic housing. With the finger probes, a distinction is made between potential-free and potential-bound sensors. In the case of the potential-bound sensors, a conductor track of an outer electrode of the sensor element is connected to the housing by means of an electrically conductive sealing ring contacted. In the case of the potential-free sensors, the electrode is connected directly to a control unit so that there is no electrical contact with the housing. A seal between the sensor element and the housing must be implemented in both cases.
  • a sensor is known from US Pat. No. 5,228,975, in which a seal between the sensor element and the housing is achieved in that the sensor element is arranged in an additional inner tube and this is opposite the housing by means of a sealing ring and a inorganic sealing compound is sealed.
  • the lead-through tube for the sensor element requires an additional seal by means of ceramic rings and an also inorganic sealing compound.
  • the overall structure is very complicated.
  • the sensor according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that a gas and heat permanent seal between a sensor element and a housing can be reached.
  • the Di consists of a fine-grained or powdery material, preferably of coated graphite grains, the volume of which in the unloaded state is greater than a sealing gap between the sensor element and the housing, it is possible in a simple manner to attach this sealing element to ge ⁇ suitable place between the. Introduce sensor element and the housing, while the final formation of the sealing element only results during the joining of the housing with the sensor element. Due to the final formation of the sealing element only during the joining, the sealing element is optimally matched to the sealing surfaces of the housing or the sensor element.
  • the sealing element forms an areal seal between the sensor element and the housing during the joining, so that a reliable gas- tight or temperature-tight seal takes place.
  • the inventive Ver ⁇ in a simple manner the sensor including the sealing between the element and Sensor ⁇ ⁇ stellen the Gepatiu e in suitable for automated production manner forth * *.
  • step of joining the housing with the sensor element can be used to form the sealing element. Since no prefabricated, tight and mechanically stable sealing elements are used, the tolerance of the sealing areas of the sensor element and / or the housing does not have to be extremely high, since the possible tolerance deviations from that which occurs only during the joining trained sealing element can be easily compensated.
  • the sealing element is applied as a bed to at least one of the sealing areas of the sensor element or of the housing before the joining, here generally known and proven techniques, such as flame spraying, plasma spraying, are advantageously used as the application method.
  • Roll-up or the like can be used.
  • a pre-pressed sealing ring can also be used, which can be easily deformed during the joining process. Overall, this results in an easy-to-use, reliably sealing method.
  • the formation of the sealing element means that there is no need for stocking with different sealing elements until during the joining with different sensors.
  • the sealing elements according to the invention can thus, for example, use contaminated and potential-free sensors.
  • Figure 1 shows schematically a sectional view through an electrochemical sensor
  • Figure 2 schematically shows an enlarged view of a sealing zone of a floating sensor
  • Figure 3 schematically shows an enlarged view of a sealing zone of a potential-free sensor.
  • the sensor 10 has a metallic housing 12 which has a key hexagon 14 on its outside and a thread 16 for fastening in a measuring gas tube, not shown.
  • the housing 12 is sleeve-shaped and has a through opening 18 Through opening 18 is designed as a stepped bore and forms a sealing seat 20.
  • a sensor element 22 is guided in the through opening 18 of the housing 12.
  • the sensor element 22 has a bead-shaped head 24, which forms an annular shoulder 26.
  • a sealing element 30 is arranged between the sealing seat 20 and the annular shoulder 26 within the sealing zone 28.
  • the specific configuration of the sealing zone 28 is explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the general structure of the measuring sensor 10 is further explained with reference to FIG. 1.
  • the sensor 10 shown in FIG. 1 has a potential-free sensor element 22, the basic structure also applies to a sensor element 22 with potential.
  • the differences between the sensor elements 22 which are arranged in a floating or potential-free manner are explained with reference to FIGS. 2 and 3, so that the general structure applies to both design variants.
  • the sensor element 22 is an oxygen probe which is known per se and which is preferably used for measuring the oxygen partial pressure in exhaust gases, preferably in motor vehicles.
  • the sensor element 22 has a tubular solid electrolyte body 32 whose end section on the measuring gas side is closed by means of a base 34.
  • a layer-shaped, gas-permeable measuring electrode 36 is arranged on the outside of the solid electrolyte body 32 exposed to the measurement gas .
  • a reference electrode 38 On the inside of the solid electrolyte body 32 facing away from the outside there is a reference electrode 38 which is exposed to a reference gas, for example air, and which is gas-permeable and likewise in the form of a layer.
  • the measuring electrode 36 is connected to a first electrode contact 42 via a conductor track 40.
  • a porous protective layer 44 is placed over the measuring electrode 36 and partly over the conductor track 40.
  • the reference electrode 38 is connected to a second electrode contact 48 via a second conductor track 46.
  • the electrode contacts 42 and 48 are each located on an end face 50 formed by the open end of the solid electrolyte body 32.
  • the conductor tracks 40 and 46 are advantageously constructed as cermet layers and co-sintered with the sensor element 22.
  • the sensor element 22 protruding from the passage opening 18 of the housing 12 on the measuring gas side is surrounded at a distance by a protective tube 52 which has openings 54 for the entry or exit of a measuring gas.
  • the protective tube 52 is held at the measuring gas end of the housing 12, for example fitted into a groove 56.
  • An interior space 58 of the sensor element 22 is filled, for example, by an i-shaped heating element 60.
  • the heating element 60 is connected to connections (not shown) with a heating voltage source and is locked away from the measuring gas.
  • a first contact part 62 rests on the first electrode contact 48 and a second contact part 64 rests on the second electrode contact 42.
  • the Contact parts 62 and 64 are shaped such that they abut the tubular heating element 60 and are contacted with a measuring electrode connection 66 and a reference electrode connection 68.
  • the connections 66 and 68 are contacted with connection cables, not shown, and led to the outside to a measuring or control device.
  • an insulating sleeve 70 is also introduced, which is preferably made of a ceramic material. With the help of a mechanical means, not shown, the insulating sleeve 70 is pressed onto the contact parts 62 and 64, whereby an electrical connection to the electrode contacts 42 and 48 is realized.
  • the annular shoulder 26 of the sensor element 22 is pressed against the sealing seat 20 of the housing 12.
  • the sealing element 30 arranged between the sealing seat 20 and the annular shoulder 26 is also subjected to the press-in force 72 and, in a manner still to be explained, forms a gas, water and fuel impermeable seal.
  • the sealing zone 28 of the sensor 10 is shown with a sensor element 14 which is arranged with a potential
  • the sealing zone 28 is shown with a sensor element 14 which is arranged in a floating manner.
  • the sensor element 22 is shown in the area of the ring shoulder 26.
  • the conductor track 40 Arranged on the sensor element 22 is the conductor track 40, which connects the measuring electrode 36 to the electrode contact 42.
  • the conductor track 14 bears against the inner wall of the through opening 18, so that an electrically conductive connection is created between the conductor track 40 and the housing 12.
  • a sealing gap 74 is provided between the housing 12 and the sensor element 22 in the area of the sealing seat 20 and the annular shoulder 26 and has an axial extent in the direction of the through opening 18.
  • the sealing element 30 is introduced into this sealing gap 74.
  • the sealing element 30 is introduced here before the sensor element 22 is joined to the housing 12 by means of the press-in force 72.
  • the sealing element 30 consists here, for example, of a bed 76 of individual graphite grains 78 provided with a nickel coating. These are only indicated as indicated.
  • the bed 76 is applied, for example, to the sensor element 22 in the region of the annular shoulder 26 by means of a generally known method, for example flame spraying, plasma spraying, rolling up, brushing or the like.
  • a layer thickness of the bed 76 applied is greater than the later axial extent of the annular gap 74.
  • the bed 76 By introducing the sensor element 22 into the housing 12 while simultaneously applying the press-in force 72, the bed 76 is pressed against the sealing seat 20 of the housing 12, so that the bed 76 is compressed or compressed.
  • the nickel-coated graphite grains 78 form a composite of this type which is gas, vapor and / or liquid-tight and temperature-resistant.
  • this composite is impermeable to the hot gases entering the protective tube 52 through the openings 54, which can also contain fuel mixtures, so that the sensor element 22 is completely sealed between the exhaust gas side and the side remote from the exhaust gas.
  • any unevenness on the sealing seat 20 or the annular shoulder 26, optionally the conductor track 40 applied there, is compensated for, so that even micro-roughness and / or corrugation can be compensated for.
  • the sealing element 30 resulting from the compacted bed 76 thus adapts to the predetermined contour without problems.
  • an areal sealing element 30 is created, since by adapting to any contour, the surface relief of the contours, here the sealing seat 20 and the ring shoulder 26, is shaped by the sealing element 30 during pressing.
  • the bed 76 can already be pre-pressed before the sensor element 22 is introduced, which can be done, for example, during the application of the bed 76, so that a Adhesive strength to the sensor element 22 is improved.
  • An axial extent of the pre-pressed sealing ring is also greater than the later axial extent of the annular shoulder 26.
  • FIG. 3 shows the sealing zone 28 in the case of a sensor element 22 which is arranged in a potential-free manner, the section shown here being associated with the sensor 10 shown in FIG.
  • an insulating layer 80 is provided here between the conductor track 40 and the housing 12.
  • the insulating layer 80 ensures electrical insulation between the conductor track 40 and thus the sensor element 22 and the housing 12, so that it is arranged in a potential-free manner.
  • the insulating layer 80 can be provided over the entire length of the sensor element 22 with which it comes to lie within the housing 12. According to FIG. 3, however, the insulating layer 80 can also only extend over the sealing zone 28.
  • the protective layer 80 can consist, for example, of plasma-sprayed magnesium spinel or a glaze, which can also be co-sintered.
  • the material of the insulating layer 80 is selected in particular so that it withstands the press-in forces 72 when the sensor element 22 is joined to the housing 12 and supports the compression of the bed 76 to the sealing element 30, already mentioned.
  • any sensor element 22 can be arranged in a housing 12 with potential as well as potential-free, with an absolute gas and heat-resistant seal between the Sensor element 22 and the housing 12 takes place. Provision of appropriately designed sealing rings and the like for special designs of sensors 10 is therefore not necessary.
  • the methods for applying the bed 76 are compatible with the methods for producing the sensor element 22 and can therefore be easily integrated into a production process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren mit einem Sensorelement, das dichtend in einem metallischen Gehäuse eingesetzt ist, wobei zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse wenigstens ein Dichtelement angeordnet ist. Es ist vorgesehen, daß das Dichtelement (30) aus einem feinkörnigen beziehungsweise pulverigem Material besteht, dessen Volumen in unbelastetem Zustand größer als ein Dichtspalt (74) zwischen dem Sensorelement (22) und dem Gehäuse (12) ist, wobei das Dichtelement großvolumig zwischen Dichtbereichen des Sensorelementes (22) und des Gehäuses (12) eingebracht wird, und dieses beim Fügen des Sensorelementes (22) und des Gehäuses (12) verdichtet wird.

Description

Elektrochemischer Meßfüh. r und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Me߬ fühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoff¬ gehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Meü^ühlers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Stand der Technik
Elektrochemische Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind beispielsweise in einer sogenannten Fingerbauform ausgeführt, bei der ein Festelektrolytkörper ein Sensorelement bildet, das als geschlossenes Rohr in einem metallischen Ge¬ häuse dicht festgelegt ist. Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen potentialfreien und po¬ tentialgebundenen Meßfühlern. Bei den potential¬ gebundenen Meßfühlern wird eine Leiterbahn einer äußeren Elektrode des Sensorelementes mittels eines elektrisch leitenden Dichtringes mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Meßfühlern wird die Elektrode direkt mit einem Steuergerät verbunden, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse erfolgt. Eine Dichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse muß in beiden Fällen realisiert sein.
Aus der DE-OS 25 04 206 ist ein potentialfreier Meßfühler bekannt, bei dem mehrere elektrisch isolierende, keramische Dichtringe aus Sinterkorund mit >90 % Aluminiumoxid AI2O3 verwendet werden, die einen hermetisch dichten, elektrisch isolierten Verbund zwischen, festem Sensorelement und dem me¬ tallischen Gehäuse schaffen. Eine solche Abdichtung ist konstruktiv sehr aufwendig und wegen der mehr¬ fachen parallelen Abdichtung mit drei Dichtringen auch relativ risikoreich.
Ferner ist aus der US-PS 5,228,975 ein Meßfühler bekannt, bei dem eine Abdichtung zwischen dem Sen¬ sorelement und dem Gehäuse dadurch erreicht wird, indem das Sensorelement in einem zusätzlichen in¬ neren Rohr angeordnet ist und dieses gegenüber dem Gehäuse mittels eines Dichtringes und einer anorga¬ nischen Dichtmasse abgedichtet ist. Das Durch¬ führungsrohr für das Sensorelement bedarf einer zu¬ sätzlichen Abdichtung mittels Keramikringen und ei¬ ner ebenfalls anorganischen Dichtmasse. Der Aufbau ist somit insgesamt sehr kompliziert.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vor¬ teil, daß in einfacher Weise eine gas- und hitzebe- ständige Abdichtung zwischen einem Sensorelement und einem Gehäuse erreichbar ist. Dadurch, daß das Di aus einem feinkörnigen beziehungsweise pulverigen Material, vorzugsweise aus beschichteten Graphit-Körnern besteht, dessen Volumen im unbe¬ lasteten Zustand größer als ein Dichtspalt zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse ist, ist es in einfacher Weise möglich, dieses Dichtelement an ge¬ eigneter Stelle zwischen der. Sensorelement und dem Gehäuse einzubringen, während sich die endgültige Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fü- gens des Gehäuses mit dem Sensorelement ergibt. Durch die endgültige Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fügens erfolgt eine optimale An¬ passung des Dichtelementes an die Dichtflächen des Gehäuses beziehungsweise des Sensorelementes. Hier¬ durch wird ein Ausgleich von Oberflächenrauhigkei¬ ten beziehungsweise Oberflächenwelligkeiten oder gegebenenfalls Unrundheiten des Sensorelementes und/oder des Gehäuses möglich. Das Dichtelement bildet während des Fügens eine flächenhafte Ab¬ dichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse aus, so daß eine zuverlässige gas-• beziehungsweise temperaturdichte Abdichtung erfolgt.
Weiterhin ist es durch das erfindungsgemäße Ver¬ fahren in einfacher Weise möglich, den Meßfühler einschließlich der Abdichtung zwischen dem Sensor¬ element und dem Gehäu e in für eine automatisierte Fertigung geeignete Weise her**ιstellen. Dadurch, daß das Dichtelement großvolur zwischen Dichtbe¬ reichen des Sensorelementes und des Gemüses ein¬ gebracht wird, und das Dichtelement beim Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses verdichtet wird, kann sehr vorteilhaft der sowieso notwendige Ver- fahrensschritt des Fügens des Gehäuses mit dem Sen¬ sorelement zur Ausbildung des Dichtelementes ge¬ nutzt werden. Da keine vorgefertigten dichten und mechanisch stabilen Dichtelemente Verwendung fin¬ den, ist an die Toleranz der Dichtbereiche des Sen¬ sorelementes und/oder des Gehäuses keine extrem ho¬ he Genauigkeit zu stellen, da die eventuell vor¬ handenen Toleranzabweichungen von dem erst während des Fügens ausgebildeten Dichtelement ohne weiteres ausgeglichen werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Dichtelement als Schüttung auf wenigstens einen der Dichtbereiche des Sensorele¬ mentes oder des Gehäuses vor dem Fügen aufgebracht wird, wobei hier als Auftragsverfahren vorteilhaft allgemein bekannte und bewährte Techniken, wie bei¬ spielsweise Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrol¬ len oder ähnliches angewendet werden können. Auch kann ein vorgepreßter Dichtring eingesetzt werden, der beim Fügeprozeß leicht deformiert werden kann. Insgesamt ergibt sich somit ein leicht zu be¬ herrschendes, zuverlässig abdichtendes Verfahren. Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die stets zuverlässige Abdichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse nachfolgende Dichtheitsprüfungen des Meßfühlers nicht mehr notwendig sind bezie¬ hungsweise diese stark reduziert werden können. Darüber hinaus bietet sich als Vorteil, daß durch die Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fügens bei unterschiedlichen Meßfühlern eine Bevor¬ ratung mit unterschiedlichen Dichtelementen ent¬ fällt. Die erfindungsgemäßen Dichtelemente lassen sich so beispielsweise gleichermaßen bei potential- behafteten und potentialfreien Meßfühlern ein¬ setzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs-bei¬ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Schnittdarstellung durch einen elektrochemischen Meßfühler;
Figur 2 schematisch eine vergrößerte Darstellung einer Dichtzone eines potentialbehafteten Meßfühlers und
Figur 3 schematisch eine vergrößerte Darstellung einer Dichtzone eines potentialfreien Me߬ fühlers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist in einer Schnittdarstellung ein allgemein mit 10 bezeichneter elektrochemischer Meßfühler dargestellt. Der Meßfühler 10 besitzt ein metallisches Gehäuse 12, das an seiner Außenseite einen Schlüsselsechskant 14 und ein Gewinde 16 zum Befestigen in einem nicht dargestellten Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 ist hülsenförmig ausge¬ bildet und besitzt eine Durchgangsöffnung 18. Die Durchgangsöffnung 18 ist als Stufenbohrung ausge¬ führt und bildet einen Dichtsitz 20 aus. In der Durchgangsöffnung 18 des Gehäuses 12 ist ein Sen¬ sorelement 22 geführt. Das Sensorelement 22 besitzt einen wulstförmigen Kopf 24, der eine Ringschulter 26 ausbildet. Zwischen dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12 ergibt sich eine Dichtzone 28, die einerseits von dem Dichtsitz 20 und andererseits von der Ringschulter 26 gebildet wird. Zwischen dem Dichtsitz 20 und der Ringschulter 26 ist innerhalb der Dichtzone 28 ein Dichtelement 30 angeordnet. Die konkrete Ausgestaltung der Dichtzone 28 wird anhand der Figuren 2 und 3 noch näher erläutert.
Im weiteren wird der allgemeine Aufbau des Me߬ fühlers 10 anhand der Figur 1 weiter erläutert. Der in Figur 1 dargestellte Meßfühler 10 besitzt ein potentialfrei angeordnetes Sensorelement 22, wobei der prinzipielle Aufbau ebenfalls für ein po¬ tentialbehaftet angeordnetes Sensorelement 22 gilt. Die Unterschiede zwischen den potentialfrei bezie¬ hungsweise potentialbehaftet angeordneten Sensor¬ elementen 22 werden anhand der Figuren 2 und 3 erläutert, so daß der allgemeine Aufbau für beide Ausführungsvarianten gilt.
Das Sensorelement 22 ist im vorliegenden Beispiel eine an sich bekannte Sauerstoffsonde, die bevor¬ zugterweise für das Messen des Sauerstoffpartial- druckes in Abgasen, vorzugsweise bei Kraftfahr¬ zeugen, Verwendung findet. Das Sensorelement 22 be¬ sitzt einen rohrför igen Festelektrolytkörper 32, dessen meßgasseitiger Endabschnitt mittels eines Bodens 34 verschlossen ist. Auf der dem Meßgas aus¬ gesetzten Außenseite des Festelektrolytkörpers 32 ist eine schichtförmige, gasdurchlässige Meß-elek- trode 36 angeordnet. Auf der der Außenseite abge¬ wandten Innenseite des Festelektrolytkörpers 32 ist eine einem Referenzgas, beispielsweise Luft, aus¬ gesetzte, gasdurchlässig und ebenfalls schichtför- mig ausgebildete Referenzelektrode 38 angeordnet. Die Meßelektrode 36 ist über eine Leiterbahn 40 mit einem ersten Elektrodenkontakt 42 verbunden. Über die Meßelektrode 36 und teilweise über die Lei¬ terbahn 40 ist eine poröse Schutzschicht 44 gelegt. Die Referenzelektrode 38 ist über eine zweite Lei¬ terbahn 46 mit einem zweiten Elektrodenkontakt 48 verbunden. Die Elektrodenkontakte 42 und 48 befin¬ den sich jeweils auf einer vom offenen Ende des Festelektrolytkörpers 32 gebildeten Stirnfläche 50. Die Leiterbahnen 40 und 46 sind vorteilhafterweise als Cermet-Schichten aufgebaut und mit dem Sensor¬ element 22 co-gesintert.
Das meßgasseitig aus der Durchgangsöffnung 18 des Gehäuses 12 herausragende Sensorelement 22 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 52 umgeben, welches für ' _n Ein- bzw. Austritt eines Meßgases Öffnungen 54 . itzt. Das Schutzrohr 52 ist am meßgasseitigen Ende des Gehäuses 12 gehalten, beispielsweise in eine Nut 56 eingepaßt. Ein Innenraum 58 des ansor- elementes 22 ist beispielsweise durch ein iabför- miges Heizelement 60 ausgefüllt. Das Heizelement 60 ist mit nicht dargestellten Anschlüssen mit einer Heizspannungsquelle verbunden und meßgasfern arre¬ tiert.
Auf dem ersten Elektrodenkontakt 48 liegt ein erstes Kontaktteil 62 und auf dem zweiten Elektro¬ denkontakt 42 ein zweites Kontaktteil 64 auf. Die Kontaktteile 62 und 64 sind so geformt, daß sie am rohrförmigen Heizelement 60 anliegen und mit einem Meßelektroden-Anschluß 66 und einem Referenzelek¬ troden-Anschluß 68 kontaktiert sind. Die Anschlüsse 66 und 68 werden mit nicht dargestellten Anschlu߬ kabeln kontaktiert und nach außen zu einem Me߬ oder Steuergerät geführt.
In der Durchgangsbohrung 18 des Gehäuses 12 ist ferner eine Isolierhülle 70 eingebracht, welche vorzugsweise aus einem keramischen Material be¬ steht. Mit Hilfe eines nicht dargestellten me¬ chanischen Mittels wird die Isolierhülse 70 auf die Kontaktteile 62 und 64 gedrückt, wodurch eine elek¬ trische Verbindung zu den Elektrodenkontakten 42 und 48 realisiert wird.
Durch das Beaufschlagen der Isolierhülse 70 mit einer in Längserstreckung der Durchgangsöffnung 18 - hier mit dem Pfeil 72 angedeutet - wirkenden mechanischen Kraft wird die Ringschulter 26 des Sensorelementes 22 gegen den Dichtsitz 20 des Ge¬ häuses 12 gedrückt. Das zwischen dem Dichtsitz 20 und der Ringschulter 26 angeordnete Dichtelement 30 erfährt hierbei ebenfalls eine Beaufschlagung mit der Einpreßkraft 72 und bildet hierbei in noch zu erläuternder Weise eine gas-, wasser- und kraft- stoffundurchlässige Dichtung aus.
In der Figur 2 ist die Dichtzone 28 des Meßfühlers 10 mit einem potentialbehaftet angeordneten Sensor¬ element 14 gezeigt, während in Figur 3 die Dicht¬ zone 28 mit einem potentialfrei angeordneten Sen¬ sorelement 14 dargestellt ist. Trotz des unter¬ schiedlichen Aufbaus werden zur Verdeutlichung gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 22 im Bereich der Ringschul¬ ter 26 gezeigt. Auf dem Sensorelement 22 ist die Leiterbahn 40 angeordnet, die die Meßelektrode 36 mit dem Elektrodenkontakt 42 verbindet. Im Bereich des Gehäuses 12 liegt die Leiterbahn 14 an der Innenwandung der Durchgangsöffnung 18 an, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn 40 und dem Gehäuse 12 entsteht. Zwischen dem Gehäuse 12 und dem Sensorelement 22 ist im Be¬ reich des Dichtsitzes 20 und der Ringschulter 26 ein Dichtspalt 74 vorgesehen, der eine axiale Er¬ streckung in Richtung der Durchgangsöffnung 18 besitzt.
In diesen Dichtspalt 74 ist das Dichtelement 30 eingebracht. Das Dichtelement 30 wird hierbei ein¬ gebracht, bevor das Sensorelement 22 mittels der Einpreßkraft 72 mit dem Gehäuse 12 gefügt wird. Das Dichtelement 30 besteht hierbei beispielsweise aus einer Schüttung 76 einzelner mit einer Nickel¬ beschichtung versehener Graphit-Körner 78. Diese sind lediglich angedeutet dargestellt. Die Schüt¬ tung 76 ist vor Einbringen des Sensorelementes 22 beispielsweise auf das Sensorelement 22 im Bereich der Ringschulter 26 mittels eines allgemein be¬ kannten Verfahrens, zum Beispiel Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrollen, Aufpinseln oder ähn¬ lichem aufgebracht. .Eine Schichtdicke der aufge¬ brachten Schüttung 76 ist hierbei größer als die spätere axiale Erstreckung des Ringspaltes 74. Durch Einbringen des Sensorelementes 22 in das Ge¬ häuse 12 unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit der Einpreßkraft 72 wird die Schüttung 76 gegen den Dichtsitz 20 des Gehäuses 12 gedrückt, so daß die Schüttung 76 komprimiert beziehungsweise verdichtet wird. Durch diese Verdichtung der Schüttung 76 bil¬ den die nickelbeschichteten Graphit-Körner 78 einen derartigen Verbund aus, der gas-, dampf- und/oder flüssigkeitsdicht sowie temperaturbeständig ist. Insbesondere ist dieser Verbund gegenüber den durch die Öffnungen 54 in das Schutzrohr 52 eintretenden Heißgasen, die auch Kraftstoffgemische enthalten können, undurchlässig, so daß eine absolute Abdich¬ tung des Sensorelementes 22 zwischen der Abgasseite und der abgasfernen Seite erfolgt.
Während der Verdichtung der Schüttung 76 werden et¬ wa vorhandene Unebenheiten auf dem Dichtsitz 20 beziehungsweise der Ringschulter 26, gegebenenfalls der dort aufgebrachten Leiterbahn 40, ausgeglichen, so daß selbst Mikrorauhigkeiten und/oder -wellig¬ keiten ausgeglichen werden können. Das aus der ver¬ dichteten Schüttung 76 entstehende Dichtelement 30 paßt sich somit der vorgegebenen Kontur problemlos an. Insbesondere ist ein flächenhaft abdichtendes Dichtelement 30 geschaffen, da durch die Anpassung an jede beliebige Kontur das Oberflächenrelief der Konturen, hier des Dichtsitzes 20 und der Ring¬ schulter 26, durch das Dichtelement 30 während des Verpressens abgeformt wird.
Nach einem weiteren Beispiel kann die Schüttung 76 vor Einbringen des Sensorelementes 22 bereits vor¬ gepreßt sein, was beispielsweise während des Auf¬ tragens der Schüttung 76 erfolgen kann, so daß eine Haftfestigkeit an dem Sensorelement 22 verbessert ist. Darüber hinaus ist es möglich, einen vorge¬ preßten Dichtring an Stelle der Schüttung 76 einzu¬ setzen, der durch die Einpreßkraft 72 eine Defor¬ mation erfährt. Eine axiale Erstreckung des vorge¬ preßten Dichtringes ist hierbei ebenfalls größer als die spätere axiale Erstreckung der Ringschulter 26.
In der Figur 3 ist die Dichtzone 28 bei einem po¬ tentialfrei angeordneten Sensorelement 22 gezeigt, wobei der hier dargestellte Ausschnitt dem in Figur 1 dargestellten Meßfühler 10 zuzuordnen ist. Glei¬ che Teile wie in Figur 2 sind mit gleichen Bezugs¬ zeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Zu¬ sätzlich zu dem Dichtelement 30 ist hier zwischen der Leiterbahn 40 und dem Gehäuse 12 eine Isolier¬ schicht 80 vorgesehen. Die Isolierschicht 80 ge¬ währleistet eine elektrische Isolierung zwischen der Leiterbahn 40 und damit dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12, so daß dieses potentialfrei an¬ geordnet ist. Die Isolierschicht 80 kann, wie in Figur 1 dargestellt, über die gesamte Länge des Sensorelementes 22 vorgesehen sein, mit der dieses innerhalb des Gehäuses 12 zu liegen kommt. Gemäß Figur 3 kann die Isolierschicht 80 sich jedoch auch nur über die Dichtzone 28 erstrecken. Die Schutz¬ schicht 80 kann beispielsweise aus plasmagespritz¬ tem Magnesium-Spinell oder einer Glasur, die auch co-gesintert sein kann, bestehen. Das Material der Isolierschicht 80 ist insbesondere so gewählt, daß es den Einpreßkräften 72 beim Fügen des Sensorele¬ mentes 22 mit dem Gehäuse 12 standhält und die bereits erwähnte Verdichtung der Schüttung 76 zu dem Dichtelement 30 unterstützt. Insgesamt wird deutlich, daß durch einfaches Auf¬ bringen einer gegebenenfalls vorgepreßten und/oder vorgesinterten Schüttung 76 jedes beliebige Sensor¬ element 22 in einem Gehäuse 12 sowohl potentialbe¬ haftet als auch potentialfrei angeordnet werden kann, wobei eine absolute gas- und hitzebeständige Abdichtung zwischen dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12 erfolgt. Ein Vorhalten entsprechend aus¬ gebildeter Dichtringe und ähnlichem für spezielle Ausbildungen von Meßfühlern 10 ist somit nicht not¬ wendig. Die Verfahren zum Aufbringen der Schüttung 76 sind mit den Verfahren zur Herstellung des Sen¬ sorelementes 22 kompatibel und somit in einem Fer¬ tigungsablauf ohne weiteres zu integrieren.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Be¬ stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Ver¬ brennungsmotoren mit einem Sensorelement, das dich¬ tend in einem metallischen Gehäuse eingesetzt ist, wobei zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse wenigstens ein Dichtelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) aus einem feinkörnigen beziehungsweise pulverigen Material besteht, dessen Volumen in unbelastetem Zustand größer als ein Dichtspalt (74) zwischen dem Sensor¬ element (22) und dem Gehäuse (12) ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Dichtelement (30) aus beschichteten Graphit-Körnern (78) besteht.
3. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als Schüttung (76) der beschichteten Graphit- Körner (78) einbringbar ist.
4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als vorgepreßte Schüttung (76) einbringbar ist.
5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als vorgesinterte Schüttung (76) einbringbar ist.
6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphit-Körner (78) eine gegen Heißgaskorrosion resistente Be¬ schichtung aufweisen.
7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Nickelbeschichtung oder Nickel-Legierungs-Be- schichtung ist.
8. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Dichtelement (30) ein deformierbarer Preßkörper, beispielsweise ein vorgepreßter Dicht¬ ring ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemi¬ schen Meßfühlers mit einem in einem Gehäuse dich¬ tend angeordneten Sensorelement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dicht¬ element großvolumig zwischen Dichtbereichen des Sensorelementes und des Gehäuses eingebracht wird, und das Dichtelement beim Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses verdichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Dichtelement als Schüttung auf wenigstens einen der Dichtbereiche des Sensorele¬ mentes oder des Gehäuses vor dem Fügen aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung mit¬ tels eines fertigungskompatiblen Verfahrens zur Herstellung des Sensorelementes aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung durch Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrollen, Aufpinseln oder ähnlichem aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung vor dem Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses vorgepreßt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung vor dem Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses vorgesintert wird.
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