JP2010515034A - 内側にアノードが設けられたセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定の固体の電解質特性に基づく公知のセンサ素子、すなわち、所定の固体が所定のイオンを通す性能に基づく公知のセンサ素子に関する。このようなセンサ素子はとりわけ自動車において、空燃混合気組成を測定するために使用される。とりわけこの形式のセンサ素子は、「ラムダセンサ」という名称で使用され、ガソリンエンジンにおいても、またディーゼル技術でも排気ガス中の有害物質を低減する際に重要な役割を果たしている。
本発明は、僅かなリーン領域とリッチ領域とにおいて期待される特性曲線からのポンプ電流の偏差は、酸化可能な成分(リッチガス)がアノードの周辺に存在することに起因するという認識に基づく。このような場合、リーン領域で限界電流を決定するカソード反応が重要なのではなく、通常は同様に排ガスにさらされるアノードにおける反応が重要である。このようなアノード反応によって、たとえばリーン動作中の電流信号は、カソードで行われる反応による電流信号と区別できなくなる。少量の燃焼ガス(すなわち酸化可能なガス成分、とりわけH2)だけでも測定信号に影響が及ぼされるので、限界電流の一義性は(たとえばディーゼル運転における)非平衡排ガスでも、λ=1に近くなるとすでに得られなくなってしまう。
CO+O2−→CO2+2e−
H2+O2−→H2O+2e−
というような、リッチガスでアノードに発生する反応を阻止しなければならない。
・前記少なくとも1つの排気通路は、方形の断面を有する。
・前記少なくとも1つの排気通路の長さは5mm〜60mmの領域内にあり、有利には35mm〜60mmの領域内にある。
・前記少なくとも1つの排気通路の断面積は5×10−3mm2〜240×10−3mm2の領域内にあり、有利には20×10−3mm2〜120×10−3mm2の領域内にある。
Claims (19)
- 少なくとも1つのガス室(212)内の混合気の少なくとも1つの物理的特性を検出するためのセンサ素子(210)であって、
とりわけ、内燃機関の排ガスの酸素濃度を検出するためのセンサ素子(210)であり、
少なくとも1つの第1の電極(218,219)と、少なくとも1つの第2の電極(216,215)と、該少なくとも1つの第1の電極(218;219)および該少なくとも1つの第2の電極(216;215)を接続する固体電解質(214)とを有するセンサ素子(210)において、
前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)と前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)とは当該センサ素子(210)内に配置されており、
前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)は少なくとも1つの排気通路(240)を介して、少なくとも1つの基準ガス室(242)に接続されていることを特徴とする、センサ素子。 - 前記少なくとも1つの排気通路(240)は少なくとも1つの多孔質の充填エレメント(244)を有し、とりわけ、Al2O3ベースの少なくとも1つの多孔質の充填エレメント(244)を有する、請求項1記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)は少なくとも1つの拡散バリア(230)によって前記少なくとも1つのガス室(212)から分離されている、請求項1または2記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)の限界電流は前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)の限界電流より小さく、
前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)の限界電流は有利には前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)の限界電流の1/50より小さく、特に有利には該少なくとも1つの第1の電極(218;219)の限界電流の1/100より小さい、請求項1から3までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - 前記少なくとも1つの排気通路(240)は、
方形の断面を有するという特徴と、
5mm〜60mmの領域内にある長さ、有利には35mm〜60mmの領域内にある長さを有するという特徴と、
5×10−3mm2〜240×10−3mm2の領域内にある断面積、有利には20×10−3mm2〜120×10−3mm2の領域内にある断面積を有するという特徴
とのうち、少なくとも1つの特徴を有する、請求項1から4までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - 前記少なくとも1つのガス室(212)に対向する固体電解質(214)を有し、
前記固体電解質(214)の前記少なくとも1つのガス室(212)と反対側に、第2の電極(216;215)と第1の電極(218;219)とが該固体電解質(214)にコンタクトし、相互に隣接して配置されており、
・前記第1の電極(218;219)と前記第2の電極(216;215)とは、前記固体電解質(214)に対して実質的に平行に配置された給電線路(232,246)によってコンタクトされ、前記給電線路(232,246)は実質的に相互に積層されて配置されており、前記少なくとも1つの排気通路(240)によって相互に分離されており、有利には前記少なくとも1つの多孔質の充填エレメント(244)によって相互に分離されているという特徴と、
・前記第1の電極(218;219)と前記第2の電極(216;215)とは、前記固体電解質(214)に対して実質的に平行に配置された給電線路(232,246)によってコンタクトされ、前記給電線路(232,246)は相互に実質的に隣接して配置されており、前記給電線路(232,246)は前記少なくとも1つの排気通路(240)によって相互に分離されており、有利には前記少なくとも1つの多孔質の充填エレメント(244)によって相互に分離されているという特徴と、
・前記固体電解質(214)に、前記第1の電極(218;219)と前記少なくとも1つのガス室(212)とを接続するための少なくとも1つのガス流入孔(228)が設けられているという特徴と、
・前記第2の電極(216;215)の上方および/または下方に少なくとも1つの第2の電極空洞が設けられているという特徴と、
・前記第1の電極(218;219)の上方および/または下方に少なくとも1つの第1の電極空洞(226)が設けられているという特徴と、
・前記第1の電極(218;219)および前記第2の電極(216;215)の下方に少なくとも1つの第2の固体電解質(220)が設けられており、前記第1の電極(218;219)および/または前記第2の電極(216;215)は前記少なくとも1つの第2の固体電解質(220)にコンタクトするという特徴と、
・前記第1の電極(218;219)および前記第2の電極(216;215)の下方に少なくとも1つの第2の固体電解質(220)が設けられており、前記第1の電極(218;219)は、前記固体電解質(214)にコンタクトする少なくとも第1の部分電極(222)と、前記少なくとも1つの第2の固体電解質(220)にコンタクトする少なくとも第2の部分電極(224)とを有し、前記少なくとも1つの第1の部分電極(222)と前記少なくとも1つの第2の部分電極(224)とは導通接続されており、有利には前記少なくとも1つの第1の部分電極(222)と前記少なくとも1つの第2の部分電極(224)との間に少なくとも1つの第1の電極空洞(226)が設けられているという特徴と、
・前記第1の電極(218;219)および前記第2の電極(216;215)の下方に少なくとも1つの第2の固体電解質(220)が設けられており、前記第2の電極(216;215)は、前記固体電解質(214)にコンタクトする少なくとも1つの部分電極(310)と、前記少なくとも1つの第2の固体電解質(220)にコンタクトする少なくとも1つの第2の部分電極(312)とを有し、前記少なくとも1つの第1の部分電極(310)と前記少なくとも1つの第2の部分電極(312)とは導通接続されており、有利には前記少なくとも1つの第1の部分電極(310)と前記少なくとも1つの第2の部分電極(312)との間に少なくとも1つの第2の電極空洞(238)が設けられているという特徴と、
・当該センサ素子(210)はさらに少なくとも1つの加熱エレメント(252)を有するという特徴
とのうち少なくとも1つの特徴を備えた層構成を有する、請求項1から5までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - さらに、前記少なくとも1つの固体電解質(214)にコンタクトする少なくとも1つの低減電極(510)が設けられており、
前記少なくとも1つの低減電極(510)は、前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)および前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)が配置された層平面に相応しない層平面に配置されている、請求項1から6までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)および/または前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)が配置された層平面に垂直に投影された場合に、該少なくとも1つの第1の電極(218;219)および/または該少なくとも1つの第2の電極(216;215)とオーバーラップする部分を有する、請求項1から7までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)および/または前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)が配置された層平面に垂直に投影された場合に、該少なくとも1つの第1の電極(218;219)および/または該少なくとも1つの第2の電極(216;215)を被覆する、請求項1から8までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)と前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)との間にポンプ電圧が印加されると、該少なくとも1つの第2の電極(216;215)から前記少なくとも1つの固体電解質(214)を通って前記少なくとも1つの低減電極(510)へ、該少なくとも1つの低減電極(510)から該少なくとも1つの第1の電極(218;219)へイオン電流(512)が流れるか、または、該少なくとも1つの第1の電極(218;219)から前記少なくとも1つの固体電解質(214)を通って該少なくとも1つの低減電極(510)へ、該少なくとも1つの低減電極(510)から該少なくとも1つの第2の電極(216;215)へイオン電流(512)が流れる、請求項7から9までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、コンタクトされていない電極として形成されている、請求項7から10までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)および前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)より低い層平面に配置されている、請求項7から11までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、少なくとも1つの加熱エレメント(252)と前記少なくとも1つの固体電解質(214)との間に配置されている、請求項7から12までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、気体を一時蓄積するための少なくとも1つの気体バッファ室(814)に接続されている、請求項7から13までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも1つの低減電極(510)は、前記少なくとも1つの固体電解質(214)の前記少なくとも1つのガス室(212)に対向する側に配置され、
有利には、前記少なくとも1つの低減電極(510)は前記少なくとも1つのガス室(212)から、少なくとも1つの保護層(610)によって分離されている、請求項7から14までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - 請求項1から15までのいずれか1項記載のセンサ素子(210)を使用して少なくとも1つのガス室(212)内の混合気の少なくとも1つの物理的特性を検出する方法であって、
とりわけ、内燃機関の排ガスの酸素濃度を検出する方法であり、
前記少なくとも1つの第2の電極(216;215)と前記少なくとも1つの第1の電極(218;219)との間にポンプ電圧を印加し、該少なくとも1つの第1の電極(118)と該少なくとも1つの第2の電極(116)との間で少なくとも1つのポンプ電流を測定することを特徴とする方法。 - 100mV〜1.0Vの間のポンプ電圧を使用し、有利には300mV〜800mVの間のポンプ電圧を使用し、特に有利には600mV〜700mVの間のポンプ電圧を使用する、請求項16記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第1の電極(118)を少なくとも一時的にポンプカソードとして接続し、前記少なくとも1つの第2の電極(116)を少なくとも一時的にポンプカソードとして接続する、請求項16または17記載の方法。
- 請求項7から15までのいずれか1項記載のセンサ素子(210)の製造方法において、
前記少なくとも1つの低減電極(510)の少なくとも1つの形状および/または少なくとも1つの大きさを、少なくとも1つの切除手法および/または少なくとも1つのアブレーション手法によって適合し、とりわけレーザ切除手法および/またはレーザアブレーション手法によって適合することにより、前記少なくとも1つのセンサ素子(210)の少なくとも1つの内部抵抗を調整することを特徴とする、製造方法。
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