EP1733216A1 - Sensorelement zur bestimmung der physikalischen eigenschaft eines messgases - Google Patents

Sensorelement zur bestimmung der physikalischen eigenschaft eines messgases

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Publication number
EP1733216A1
EP1733216A1 EP05716878A EP05716878A EP1733216A1 EP 1733216 A1 EP1733216 A1 EP 1733216A1 EP 05716878 A EP05716878 A EP 05716878A EP 05716878 A EP05716878 A EP 05716878A EP 1733216 A1 EP1733216 A1 EP 1733216A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
solid electrolyte
cavity
electrolyte body
gas
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Withdrawn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
EP05716878A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Berndt Cramer
Bernd Schumann
Rolf Speicher
Ralf Liedtke
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1733216A1 publication Critical patent/EP1733216A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention is based on a sensor element for determining the physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines, according to the preamble of claim 1.
  • a known sensor element for a so-called broadband lambda probe, with which the oxygen concentration in the exhaust gas from internal combustion engines or internal combustion engines is determined, (DE 199 41 051 AI) has a plurality of layers or foils made of an oxygen-ion-conducting solid electrolyte material, for example made of yttrium oxide fully or partially stabilized or partially stabilized zirconium oxide (ZrO 2 ), which are laminated together to form a planar, ceramic body and then sintered.
  • a measuring gas space and a reference gas channel are formed in the layer or film composite, and an electrical resistance heater provided with an insulating jacket is embedded.
  • the reference gas channel is from a
  • the sensor element has a pump cell for pumping oxygen into or out of the sample gas space and a Nernst or concentration cell for measuring the oxygen concentration.
  • the pump cell has an outer and an inner pump electrode, the Nernst or concentration cell has a Nernst or measuring electrode and a reference electrode.
  • the reference electrode is in Reference gas channel arranged on the solid electrolyte.
  • the inner pump electrode and the Nernst or measuring electrode are placed in the measuring gas space and arranged opposite each other on one of the solid electrolyte layers.
  • the outer pump electrode is arranged on the outside of the solid electrolyte layer bearing the inner pump electrode and faces away from the inner pump electrode and is preferably exposed to the exhaust gas via a porous protective layer.
  • the electrical resistance heater heats the sensor to the required operating temperature of approx. 750 ° to 800 ° C.
  • the voltage that can be applied to the electrical resistance heater for this purpose is limited by the on-board voltage of the vehicle.
  • the resistance heater takes a certain amount of time before it has heated up the sensor to operating temperature and the sensor is able to provide a reliable measurement of the oxygen concentration in the exhaust gas.
  • the sensor cannot measure the oxygen concentration during the heating process, so that the fuel mixture of the internal combustion engine cannot be optimally adjusted and high exhaust gas emissions occur.
  • the heating-up time of the sensor is further increased by heat losses which result from the cooling of the sensor by the cold exhaust gas and by heat radiation.
  • a heat-conducting layer is formed on at least one outer surface of the sensor element Platinum applied, in those areas of the outer surface which have a high temperature gradient due to the heating by the resistance heater and due to the temperature distribution which is present outside the sensor element during operation.
  • the heat-conducting layer brings about temperature compensation between areas with different temperatures, as a result of which the temperature gradient and thus the mechanical stresses in the sensor element, which can lead to cracks, are reduced.
  • the heat-conducting layer contains a metal, in particular platinum, and has one Thickness from 5 to 50 ⁇ m.
  • a ceramic material for example aluminum oxide (Al 2 O 3 ), is added for stabilization.
  • the sensor element according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the heat losses of the sensor element are significantly reduced by "burying" the outer electrode at the base of the cavity.
  • the cavity conducts the thermal energy only slightly, so that advantageous thermal insulation is achieved.
  • the outer electrode which is preferably made of platinum, now forms an inner interface and, because of its low emissivity towards the zirconium oxide of the solid electrolyte, causes significantly less energy to be emitted by radiation.
  • the heating-up time of the sensor element until it reaches its operating temperature is thus shortened, and the convective heat loss during strong, cold sample gas flow is reduced during operation of the sensor element, thus reducing the heating power requirement.
  • the solid electrolyte body has a second cavity which is arranged in the solid electrolyte body near the outside of the solid electrolyte body facing away from the first cavity and extends over the area of the heating surface of the resistance heater.
  • the second cavity is preferably introduced from the outside, open to the outside and closed by a second cover.
  • the cavity as a poor heat conductor, protects the interior of the sensor element from loss of energy.
  • the base of the second cavity opposite the cover is provided with a coating which has a low emissivity and which, for example, consists of platinum or ruthenium oxide or other noble metals and their oxides. This covering also leads to an interface with a low emission coefficient and thus to low radiation losses and acts as a reflector which reflects the heat radiation back to the inside sensor areas.
  • the two cavities are filled with a porous material, e.g. a highly porous ceramic that has very similar heat-insulating properties to the cavity, but has greater mechanical stability.
  • a porous material e.g. a highly porous ceramic that has very similar heat-insulating properties to the cavity, but has greater mechanical stability.
  • supports are integrated in the cavities according to an advantageous embodiment of the invention, which support the covers against the bottom of the cavities.
  • the covers are made from a material that has a greater mechanical expansion coefficient than the solid electrolyte. This minimizes mechanical stresses that form on the cover and solid electrolyte due to the different temperatures, in particular when both have the same expansion coefficient.
  • FIG. 3 each shows the same representation as in FIGS. 1 and 4 of a modified broadband lambda probe according to two further exemplary embodiments
  • FIG. 5 shows the same representation as in FIG. 2 of a modified broadband lambda probe according to a further exemplary embodiment.
  • the sensor element shown in FIGS. 1 and 2 in different sectional views is designed for a broadband lambda probe and is used to determine the concentration of oxygen in the exhaust gas of an internal combustion engine or an internal combustion engine.
  • the sensor element has a solid electrolyte body 11, which is composed of oxygen ion-conducting solid electrolyte layers 111-114, which are designed as ceramic foils. Zirconium oxide (ZrO 2 ) fully or partially stabilized with yttrium is used as the solid electrolyte material.
  • the integrated shape of the planar ceramic solid electrolyte body 11 is produced by laminating together the ceramic films printed with functional layers and then sintering the laminated structure.
  • the first cover 13 is porous, so that the exhaust gas flowing around the sensor element can penetrate into the cavity 12.
  • a measuring gas space 14 and a reference gas channel 15 are formed in the second solid electrolyte layer 112 located below. Measuring gas chamber 14 and reference gas channel 15 are covered by the first solid electrolyte layer 111 and a third solid electrolyte layer 113, the measuring gas chamber 14 being connected to the first cavity 12 via a gas opening 16 introduced into the first solid electrolyte layer 111.
  • an outer electrode 17 is arranged on the first solid electrolyte layer 111.
  • An inner electrode 18 is arranged in the measuring gas space 14 on the first solid electrolyte layer 111.
  • the two electrodes 17, 18 are designed in the same size as a circular ring and concentrically enclose the gas opening 16.
  • a measuring or Nemst electrode 19 is arranged on the third solid electrolyte layer 113 opposite the inner electrode 18.
  • the Nemst electrode 19 also has a circular ring shape and is preferably printed on the third solid electrolyte layer 113.
  • a porous diffusion barrier 20 is arranged in front of the measurement gas space 14 in the diffusion direction of the gas of the inner electrode 18 and the Nemst electrode 19.
  • the porous diffusion barrier 20 forms a diffusion resistance with respect to the gas diffusing to the electrodes 18, 19.
  • a reference electrode 21 is arranged in the reference gas channel 15, which is acted upon by a reference gas, for example air, the reference electrode 21 being located below the extent of the first cavity 12.
  • the reference gas channel 15 is separated from the measurement gas chamber 14 by a remaining web in the second solid electrolyte layer 112.
  • the reference electrode 21 forms, together with the measuring or Nemst electrode 19, a Nemst or concentration cell with which the oxygen concentration is measured.
  • a second cavity 22 is provided which is open to the outside and is closed here by a second cover 23.
  • the bottom of the second cavity 22 is coated with a coating 24 with low emissivity. Platinum is preferably used as the covering material, but other high-melting noble metals or their oxides with low emission coefficients can also be used, for example ruthenium oxide.
  • An electrical resistance heater 25 is arranged between the third solid electrolyte layer 113 and the fourth solid electrolyte layer 114, which has a heating surface 251 extending in the region of the electrodes 18, 19, 21 and two feed lines 252 to the heating surface 251. Heating surface 251 and supply lines 252 are in an insulation 26, e.g. made of aluminum oxide (AbO ⁇ , embedded.
  • the electrical resistance heater 25 is connected to a DC voltage, which is usually the on-board voltage of a vehicle, and is used to heat the sensor element to an operating temperature of about 750 ° C to 800 ° C and to keep it at operating temperature The sensor element only works optimally at this operating temperature and outputs reliable measured values for the concentration of the gas component, here oxygen.
  • the two cavities 12, 22 reduce the heat transport from the inner region to the surface of the sensor element, so that less heating energy is required to keep the sensor element at operating temperature.
  • the outer electrode 17 made of platinum in the first cavity 12 and the platinum coating 24 in the second cavity 22 lead to an interface with a low emission coefficient and thus to lower radiation losses.
  • a platinum coating opposite the outer electrode 17 and the platinum coating 24 could form a reflector which reflects the heat radiation to the inner region of the sensor element. Overall, this leads to the heat losses of the sensor element being significantly reduced, so that, on the one hand, the cold sensor element is heated up to its operating temperature more quickly, and on the other other, the sensor element is cooled less by the flow around the measurement or exhaust gas.
  • the two cavities 12, 22 can be covered with a porous material, e.g. a highly porous ceramic, which has very similar heat-insulating properties.
  • a porous material e.g. a highly porous ceramic, which has very similar heat-insulating properties.
  • An increase in the mechanical stability of the sensor element can also be achieved by supports in the cavities 12 and 22, which support the first or second cover 13, 23 against the bottom of the first or second cavity 12, 22.
  • the gas passage hole 27 is designed as a bore 28 penetrating the cover 13. 4 and 5, the gas passage hole 27 opening into the first cavity 12 is introduced into the solid electrolyte body 11, specifically into the end face of the solid electrolyte body 11 (FIG. 4) or into one of the long sides of the solid electrolyte body 11 (FIG. 5).
  • the sensor elements shown in FIGS. 3-5 match the sensor element described in accordance with FIGS. 1 and 2. For the sake of clarity, however, not all reference numbers are entered for the assignment of the same components.
  • the invention is not limited to the described example of the sensor element for a broadband lambda probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • An example of the latter can be found in DE 100 54 828 AI or in DE 101 14 186 C2.
  • Other gas components in a gas mixture for example nitrogen oxides in the exhaust gas of an internal combustion engine, can also be determined with the sensor element according to the invention.
  • Another physical property of a measurement gas can also be determined by the sensor element, for example the pressure in the measurement gas or in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the electrodes 17, 18 and 19 can also be made rectangular.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen angegeben, das einen Festelektrolytkörper (11), eine am Festelektrolytkörper (11) angeordnete, dem Messgas ausgesetzte äussere Elektrode (17), eine im Festelektrolytkörper (11) angeordnete innere Elektrode (18) und einen im Festelektrolytkörper (11) angeordneten, in einer Isolierung (26) eingebetteten elektrischen Widerstandsheizer (25) mit einer vorzugsweise in Mäander verlegten Heizfläche (251) aufweist. Zur Reduzierung der durch Konvektion und Strahlung zur kalten Messgasströmung bedingten Abwärmeverluste des Sensorelements ist die äussere Elektrode (17) in einem im Festelektrolytkörper (11) ausgebildeten Hohlraum (12) angeordnet (Fig. 1).

Description

Sensorelement zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaft eines Messgases
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Sensorelement für eine sog. Breitband-Lambdasonde, mit dem die Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren bestimmt wird, (DE 199 41 051 AI) weist eine Mehrzahl von Schichten oder Folien aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, z.B. aus mit Yttriumoxid voll- oder teilstabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2), auf, die zu einem planaren, keramischen Körper zusammenlaminiert und anschließend gesintert sind. In dem Schicht- oder Folienverbund ist ein Messgasraum und ein Referenzgaskanal ausgebildet sowie ein mit einer Isolierumhüllung versehener elektrischer Widerstandsheizer eingebettet. Der Referenzgaskanal wird von einem
Referenzgas, z.B. Luft, und der Messgasraum über eine Diffusionsbarriere vom Abgas beaufschlagt. Das Sensorelement besitzt eine Pumpzelle zum Sauerstoffpumpen in den Messgasraum hinein, bzw. aus dem Messgasraum heraus sowie eine Nernst- oder Konzentrationszelle zum Messen der Sauerstoffkonzentration. Die Pumpzelle besitzt eine äußere und eine innere Pumpelektrode, die Nernst- oder Konzentrationszelle eine Nernst- oder Messelektrode und eine Referenzelektrode. Die Referenzelektrode ist im Referenzgaskanal auf dem Festelektrolyten angeordnet. Die innere Pumpelektrode und die Nernst- oder Messelektrode sind im Messgasraum platziert und einander gegenüberliegend jeweils auf einer der Festelektrolytschichten angeordnet. Die äußere Pumpelektrode ist auf der von der inneren Pumpelektrode abgekehrten Außenseite der die innere Pumpelektrode tragenden Festelektrolytschicht angeordnet und vorzugsweise über eine poröse Schutzschicht dem Abgas ausgesetzt. Der elektrische Widerstandsheizer erwärmt den Sensor auf die erforderliche Betriebstemperatur von ca. 750° bis 800°C. Die hierzu an den elektrischen Widerstandsheizer anlegbare Spannung ist durch die Bordspannung des Fahrzeugs begrenzt.
Beim Kaltstart benötigt der Widerstandsheizer eine bestimmte Zeit, bis er den Sensor auf Betriebstemperatur aufgeheizt hat und der Sensor einen zuverlässigen Messwert der Sauerstoffkonzentration im Abgas zu liefern vermag. Während des Aufheizprozesses kann der Sensor dagegen nicht die Sauerstoff konzentration messen, so dass das Brennstoffgemisch der Brennkraftmaschine nicht optimal eingestellt werden kann und hohe Abgasemissionen auftreten. Die Aufheizzeit des Sensors wird noch durch Wärmeverluste verlängert, die infolge der Kühlung des Sensors durch das kalte Abgas und durch Wärmeabstrahlung entstehen.
Bei einem bekannten Sensorelement für eine nach dem Grenzstromprinzip arbeitende Magersonde zur Bestimmung mindestens einer Gaskomponente eines Abgases eines Verbrennungsmotors, das mittels eines integrierten elektrischen Widerstandsheizers auf Betriebstemperatur aufheizbar ist (DE 101 14 186 C2), ist auf mindestens einer Außenfläche des Sensorelements eine wärmeleitende Schicht aus Platin aufgebracht, und zwar in solchen Bereichen der Außenfläche, die aufgrund der Beheizung durch den Widerstandsheizer und aufgrund der im Betrieb außerhalb des Sensorelements vorliegenden Temperaturverteilung einen hohen Temperaturgradienten aufweisen. Die wärmeleitende Schicht bewirkt einen Temperaturausgleich zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen, wodurch der Temperaturgradient und damit die mechanischen Spannungen im Sensorelement, die zu Rissen führen können, vermindert werden. Die wärmeleitende Schicht enthält ein Metall, insbesondere Platin, und hat eine Dicke von 5 bis 50μm. Zur Stabilisierung ist ein keramisches Material, z.B. Aluminiumoxid (Al2O3) beigemischt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das "Vergraben" der äußeren Elektrode am Grunde des Hohlraums die Wärmeverluste des Sensorelements deutlich verringert werden. Der Hohlraum leitet die thermische Energie nur gering, so dass eine vorteilhafte thermische Isolierung erreicht wird. Außerdem bildet die vorzugsweise aus Platin bestehende äußere Elektrode jetzt eine innere Grenzfläche und bewirkt aufgrund ihrer geringen Emissivität gegenüber dem Zirkoniumoxid des Festelektrolyten, dass deutlich weniger Energie durch Strahlung abgegeben wird. Insgesamt wird somit sowohl die Aufheizzeit des Sensorelements bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur verkürzt als auch im Betrieb des Sensorelements der konvektive Wärmeverlust bei starker, kalter Messgasströmung verringert und somit der Heizleistungsbedarf reduziert.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Festelektrolytköφer einen zweiten Hohlraum auf, der in den Festelektrolytkörper nahe der von dem ersten Hohlraum abgekehrten Außenseite des Festelektrolytkörpers angeordnet ist und sich über den Bereich der Heizfläche des Widerstandsheizers erstreckt. Vorzugsweise ist der zweite Hohlraum von der Außenseite her eingebracht, nach außen offen und von einer zweiten Abdeckung verschlossen. Auch hier schützt der Hohlraum als schlechter Wärmeleiter den Innenbereich des Sensorelements vor Energieverlust. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der der Abdeckung gegenüberliegende Grund des zweiten Hohlraums mit einem eine geringe Emissivität besitzenden Belag versehen, der z.B. aus Platin oder Rutheniumoxid oder anderen Edelmetallen und ihren Oxiden besteht. Auch dieser Belag führt zu einer Grenzfläche mit niedrigem Emissionskoeffizienten und damit zu niedrigen Strahlungsverlusten und wirkt als Reflektor, der die Wärmestrahlung zu den innenliegenden Sensorbereichen zurückreflektiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Hohlräume mit einem porösen Material gefüllt, z.B. einer stark porösen Keramik, die sehr ähnliche wärmeisolierende Eigenschaften wie der Hohlraum besitzt, aber eine höhere mechanische Stabilität aufweist.
Will man eine höhere Stabilität ohne Hohlraumfüllung erreichen, so sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in den Hohlräumen Stützen integriert, die die Abdeckungen gegenüber dem Grund der Hohlräume abstützen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Abdeckungen aus einem Material hergestellt, das einen größeren mechanischen Ausdehnungskoeffizienten als der Festelektrolyt aufweist. Dadurch werden mechanische Spannungen minimiert, die aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an Abdeckungen und Festelektrolyt sich ausbilden, insbesondere dann, wenn beide einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen Längsschnitt eines Sensorelements für eine Breitband- Lambdasonde,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II - IT in Fig. 1,
Fig. 3 jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 1 und 4 einer modifizierten Breitband-Lambdasonde gemäß zweier weiterer Λusfuhrungsbeispiel, Fig. 5 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 einer modifizierten Breitband-Lambdasonde gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in Fig. 1 und 2 in verschiedenen Schnittansichten dargestellte Sensorelement ist für eine Breitband-Lambdasonde konzipiert und dient zur Bestimmung der Konzentration des Sauerstoffs im Abgas einer Brennkraftmaschine oder eine Verbrennungsmotors. Das Sensorelement weist einen Festelektrolytkörper 11 auf, der aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 111 - 114, die als keramische Folien ausgeführt sind, zusammengesetzt ist. Als Festelektrolytmaterial wird beispielsweise mit Yttrium voll- oder -teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2) verwendet. Die integrierte Form des planaren keramischen Festelektrolytkörpers 11 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedrucken keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur hergestellt.
In die oberste Festelektrolytschicht 111 ist ein nach außen offener erster Hohlraum 12 eingebracht, der von einer ersten Abdeckung 13 nach außen abgeschlossen ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist die erste Abdeckung 13 porös ausgebildet, so dass das das Sensorelement umströmende Abgas in den Hohlraum 12 eindringen kann. In der darunterliegenden zweiten Festelektrolytschicht 112 ist ein Messgasraum 14 und ein Referenzgaskanal 15 ausgebildet. Messgasraum 14 und Referenzgaskanal 15 werden von der ersten Festelektrolytschicht 111 und einer dritten Festelektrolytschicht 113 abgedeckt, wobei der Messgasraum 14 über eine in die erste Festelektrolytschicht 111 eingebrachte Gasöffnung 16 mit dem ersten Hohlraum 12 in Verbindung steht.
Am Grunde des ersten Hohlraums 12 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 111 eine äußere Elektrode 17 angeordnet. Im Messgasraum 14 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 111 eine innere Elektrode 18 angeordnet. Die beiden Elektroden 17, 18 sind in gleicher Größe kreisringsförmig ausgebildet und umschließen konzentrisch die Gasöffhung 16. Die beiden vorzugsweise auf die Festelektrolytschicht 11 aufgedruckten Elektroden 17, 18 bilden zusammen eine Pumpzelle, mittels der die Sauerstoffkonzentration im Messgasraum 14 durch Hineinpumpen bzw. Herauspumpen von Sauerstoffionen konstant gehalten wird.
Im Messgasraum 14 ist der inneren Elektrode 18 gegenüberliegend auf der dritten Festelektrolytschicht 113 eine Mess- oder Nemstelektrode 19 angeordnet. Die Nemstelektrode 19 weist ebenfalls Kreisringform auf und ist auf die dritte Festelektrolytschicht 113 vorzugsweise aufgedruckt. Innerhalb des Messgasraums 14 ist in Difrusionsrichtung des Gases der inneren Elektrode 18 und der Nemstelektrode 19 eine poröse Diffusionsbarriere 20 vorgelagert. Die poröse Diffusionsbarriere 20 bildet einen Diffusionswiderstand bezüglich des zu den Elektroden 18, 19 diffundierenden Gases. Im Referenzgaskanal 15, der von einem Referenzgas, z.B. Luft, beaufschlagt ist, ist eine Referenzelektrode 21 angeordnet, wobei die Referenzelektrode 21 unterhalb des Erstreckungsbereichs des ersten Hohlraums 12 liegt. Der Referenzgaskanal 15 ist durch einen verbleibenden Steg in der zweiten Festelektrolytschicht 112 von dem Messgasraum 14 getrennt. Die Referenzelektrode 21 bildet zusammen mit der Messoder Nemstelektrode 19 eine Nemst- oder Konzentrationszelle, mit welcher die Sauerstoffkonzentration gemessen wird. In der vierten Festelektrolytschicht 114 ist in gleicher Weise wie in der ersten Festelektrolytschicht 111 ein zweiter Hohlraum 22 vorgesehen, der nach außen offen ist und hier von einer zweiten Abdeckung 23 verschlossen wird. Der Grund des zweiten Hohlraums 22 ist mit einem Belag 24 mit geringer Emissivität beschichtet. Als Belagmaterial wird vorzugsweise Platin verwendet, es können jedoch auch andere hochschmelzende Edelmetalle oder deren Oxide mit niedrigem Emissionskoeffizienten eingesetzt werden, so z.B. Rutheniumoxid.
Zwischen der dritten Festelektrolytschicht 113 und der vierten Festelektrolytschicht 114 ist ein elektrischer Widerstandheizer 25 angeordnet, der eine im Bereich der Elektroden 18, 19, 21 sich erstreckende Heizfläche 251 und zwei Zuleitungen 252 zu der Heizfläche 251 aufweist. Heizfläche 251 und Zuleitungen 252 sind in einer Isolierung 26, z.B. aus Aluminiumoxid (AbO^, eingebettet. Der elektrische Widerstandsheizer 25 ist an einer Gleichspannung angeschlossen, die üblicherweise die Bordspannung eines Fahrzeugs ist, und dient dazu, das Sensorelement auf Betriebstemperatur von ca. 750°C bis 800°C aufzuheizen und auf Betriebstemperatur zu halten. Nur bei dieser Betriebstemperatur arbeitet das Sensorelement optimal und gibt zuverlässige Messwerte für die Konzentration der Gaskomponente, hier Sauerstoff, aus.
Die beiden Hohlräumen 12, 22 reduzieren aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit den Wärmetransport aus dem inneren Bereich zur Oberfläche des Sensorelements, so dass weniger Heizenergie benötigt wird, um das Sensorelement auf Betriebstemperatur zu halten. Die aus Platin gefertigte äußere Elektrode 17 im ersten Hohlraum 12 und der Platin-Belag 24 im zweiten Hohlraum 22 fuhren zu einer Grenzfläche mit niedrigem Emissionskoeffizienten und damit zu niedrigeren Strahlungsverlusten. Zusätzlich könnte ein der äußeren Elektrode 17 und dem Platin-Belag 24 jeweils gegenüberliegender Platinbelag einen Reflektor bilden, der die Wärmestrahlung zu dem innenliegenden Bereich des Sensorelements reflektiert. Insgesamt führt dies dazu, dass die Wärmeverluste des Sensorelements deutlich reduziert sind, so dass zum einen das kalte Sensorelement schneller auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt wird und zum anderen das Sensorelement weniger stark von dem umströmten Mess- oder Abgas abgekühlt wird.
Aus Gründen einer größeren Stabilität des Sensorelements können die beiden Hohlräume 12, 22 mit einem porösen Material, z.B. einer stark porösen Keramik, die sehr ähnliche wärmeisolierende Eigenschaften besitzt, gefüllt sein. Eine Erhöhung der mechanischen Stabilität des Sensorelements lässt sich auch durch Stützen in den Hohlräumen 12 und 22 erreichen, welche die erste bzw. zweite Abdeckung 13, 23 gegen den Grund des ersten bzw. zweiten Hohlraums 12, 22 abstützen.
In den Fig. 3 - 5 dargestellten modifizierten Ausfuhrungsbeispielen des Sensorelements ist mindestens ein in dem ersten Hohlraum 12 mündendes Gaszutrittsloch 27 vorgesehen, über das Abgas in den Hohlraum 12 gelangen kann. Die Abdeckung 13 braucht dann nicht mehr gasdurchlässig ausgebildet zu sein. In Fig. 3 ist das Gasdurchtrittsloch 27 als eine die Abdeckung 13 durchdringende Bohrung 28 ausgeführt. In Fig. 4 und 5 ist das im ersten Hohlraum 12 mündende Gasdurchtrittsloch 27 in den Festelektrolytkörper 11 eingebracht und zwar in die Stirnseite des Festelektrolytkörpers 11 (Fig. 4) oder in je eine der Längsseiten des Festelektrolytkörpers 11 (Fig. 5). Im übrigen stimmen die in Fig. 3 - 5 dargestellten Sensorelemente mit dem beschriebenen Sensorelement gemäß Fig. 1 und 2 überein. Für die Zuordnung gleicher Bauteile sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht alle Bezugszeichen eingetragen.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel des Sensorelements für eine Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine beschränkt. Das Sensorelement kann auch für eine λ=l -Sonde oder Sprungsonde sowie für eine Magersonde nach dem Grenzstromprinzip ausgeführt werden. Ein Beispiel für letzteres findet sich in der DE 100 54 828 AI oder in der DE 101 14 186 C2. Auch können mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement andere Gaskomponenten in einem Gasgemisch, z.B. Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine, bestimmt werden. Bei entsprechender Anpassung des Sensorelements kann auch eine andere physikalische Eigenschaft eines Messgases bestimmt werden, z.B. der Druck im Messgas oder im Abgas einer Brennkraftmaschine. Die Elektroden 17, 18 und 19 können auch rechteckig ausgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschine, mit einem Festelektrolytkörper (11), einer am Festelektrolytkörper (11) angeordneten, dem Messgas ausgesetzten äußeren Elektrode (17), einer im Festelektrolytköφer (11) angeordneten inneren Elektrode (18) und einem im Festelektrolytköφer (11) angeordneten, in einer elektrischen Isolierung (26) eingebetteten elektrischen Widerstandsheizer (25), der eine insbesondere in Mäander verlegte Heizfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Elektrode (17) in einem im Festelektrolytkörper (11) ausgebildeten Hohlraum (12) angeordnet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Elektrode (17) an dem von der Außenseite des Festelektrolytköφers (11) abgekehrten Grund des Hohlraums (12) angeordnet ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum ( 12) nach außen offen ausgebildet und durch eine Abdeckung (13) geschützt ist.
4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (13) aus gasdurchlässigem, porösem Material besteht und den Hohlraum (12) verschließt.
5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Hohlraum (12) mindestens ein Gasdurchtrittsloch (27) führt.
6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gasdurchtrittsloch (27) in den Festelektrolytköφer (11) oder in die den Hohlraum (12) verschließende Abdeckung (13) eingebracht ist.
7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolytköφer (11) einen zweiten Hohlraum (22) aufweist, der nahe der von dem ersten Hohlraum (21) abgekehrten Außenseite des Festelektrolytköφer (11) ausgebildet ist und sich über den Bereich der Heizfläche (251) ausdehnt.
8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (22) von der von der äußeren Elektrode (17) abgekehrten Außenseite des Festelektrolytköφers (11) aus eingebracht und durch eine zweite Abdeckung (23) verschlossen ist.
9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der der zweiten Abdeckung (23) gegenüberliegende Grund des zweiten Hohlraums (22) mit einem eine geringe Emissivität aufweisenden Belag (24) versehen ist.
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag (24) aus hochschmelzenden Edelmetallen oder ihren Oxiden, vorzugsweise aus Platin oder Rutheniumoxid, besteht.
11. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12, 22) mit einem porösen Material, vorzugsweise mit einer stark porösen Keramik, gefüllt ist.
12. Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (12, 22) Stützen angeordnet sind, die die Abdeckung (13, 23) gegen den Grund des Hohlraums (12, 22) abstützen.
13. Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (13, 23) aus einem Material besteht, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Festelektrolytköφers (11).
14. Sensorelement für eine Breitband-Lambdasonde nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äußere Elektrode (17, 18) eine Pumpzelle bilden, dass im Festelektrolytköφer (11) ein Referenzgaskanal (15) und ein über eine Diffusionsbarriere (20) mit dem ersten Hohlraum (12) in Verbindung stehender Messgasraum (14) ausgebildet sind und dass innerhalb des Messgasraums (14) die inneren Elektrode (18) und dieser gegenüberliegend eine Mess- oder Nemstelektrode (19) und innerhalb des Referenzgaskanals (15) eine Referenzelektrode (21) angeordnet sind.
15. Sensorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (12, 22) sich über Bereiche erstrecken, die die räumliche Anordnung der Elektroden (17, 18, 19, 21) überdecken.
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