JPH09507301A - ガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電気化学的測定プローブと電気化学的基準プローブを有し、前記２つのプローブは、評価回路に接続された２つの電極の間に配設された固体電解質を有している例えば内燃機関の排気ガス等のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサに関する。本発明によれば、測定プローブと基準プローブが相互に分離されて１つの共通のベース基板に埋め込まれ、前記固体電解は固体電解質島状形成によって形成され、該島状形成部は専ら電極領域に配設されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ 本発明は請求の範囲第１項の上位概念による、ガス混合気内の酸素濃度検出用 測定センサに関する。 従来の技術 この種の測定センサは公知である。例えばドイツ連邦共和国特許公開第３６３２ ４５６号公報からは、内燃機関に対する燃料空気混合気の制御のためのプローブ が公知である。このプローブは、第１のポンプセルと第２のポンプセルを有して いる。前記第１のポンプセルは、２つの多孔性の電極を備えており、該多孔性電 極は、酸素イオンを導く固体電解質からなる第１のプレートの対向側に配設され ている。前記第２のポンプセルも酸素イオンを導く固体電解質からなる第２のプ レートの対向側に配設されている。これらの２つのポンプセルの多孔性電極のそ れぞれ１つはポンプセルの間に存在するガス空間と接触する。このガス空間は拡 散制限部として作用するチャネルを介して内燃機関の測定すべき排気ガスに接触 する。第１のポンプセルの多孔性電極の１つと、ガス空間には接触しない電極は 、同時に内的な酸素に関する基準として用いられる。この電極は漏れチョーク部 を介して第１のポンプセルのガス空間に接する別の側の電極と接続する。このよ うな配置構成によって、ポンプセルとして構成されるそれぞれ１つの測定プロー ブと基準プローブが形成される。 この種の測定センサを用いれば内燃機関の排気ガスの組成状態が次のことに関 して評価可能となる。すなわち内燃機関を作動する燃料空気混合気において燃料 又は酸素が化学量論的にみて過剰であるのか又は、燃料と空気が化学量論的理想 量に相応しているのかに関して評価される。このような評価は、燃料空気混合気 の組成状態が周知のように排気ガスの組成状態を決定するので可能である。いわ ゆるリッチ領域（この場合は燃料が化学量論的にみて過剰である）では、未燃焼 又は一部のみ燃焼された燃料が排ガス中に著しい分量で残留する。これに対して 酸素成分は僅かである。いわゆるリーン領域（この場合は酸素が化学量論的にみ て過剰となる）では、排ガス中の酸素成分が相応に高くなる。燃料空気混合気の 化学量論的理想組成状態では排ガス中の燃料も酸素も最小となる。燃料空気比に 対する慣用の尺度量としては排ガス中で測定されるいわゆるラムダ値（空気過剰 率）がある。このラムダ値は、リーン領域では１以上となり、リッチ領域では１ 以下となり、正確な化学量論的理想領域では１となる。ラムダ値は冒頭に述べた ような形式の測定センサを用いて検出可能である。それにより測定センサと接続 された評価回路を介して、内燃機関に対する燃料空気 混合気の閉ループ制御が達成される。 先行のドイツ連邦共和国特許出願第４３３２４８７号明細書からは、次のよう なガス混合気中の酸素濃度検出用測定センサが公知である。即ち、測定プローブ と基準プローブがそれぞれ共通の１つの電極を有するポンプセルとして構成され ているガス混合気中の酸素濃度検出用測定センサが公知である。これらの電極は 共通の薄膜状基板の上に配設されている。２つのポンプセルの電極は共通の固体 電解質によって取り囲まれる。 前記公知の測定センサに共通しているのは、これらの電極が一方では、内燃機 関の高温の排気ガスにさらされ、他方ではその評価に対して最低限の動作温度が 必要とされることである。そのためこれらの電極は大抵は加熱源を有している。 この場合、使用される材料の種々の熱膨張率に基づいて測定に対する熱的負荷が 生じる欠点がある。この熱的負荷は測定センサの損傷ないしは破壊を引き起こし かねない。 発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による測定センサによって得られ る利点は、測定センサの熱的負荷率が改善されることである。 本発明によれば、測定プローブと基準プローブが相互に分離されて１つの共通の ベース基板に埋め込まれ、固体電解質が固体電解質からなる島状形成部によって 形成され、該島状形成部は専ら電極領域に配設される構成により、熱的な緊張度 が固体電界質とベース材料の異なる熱膨張率によって低減される。特に固体電解 質を、固体電解質からなる島状形成部として構成することによって、この島状形 成部とベース基板との間の熱に起因する膨張率の差の絶対値が次のように最小化 される。すなわち熱的な緊張と測定センサ内の亀裂発生が生じないように最小化 される。 さらに、測定プローブと基準プローブの相互に分離された配置構成、すなわち 共通の電極を持たない配置構成によって、測定センサの構造が有利には特にフィ ルム印刷手法によって被着される唯１つの薄膜で可能となる。このような技術的 にも周知で形成も容易な薄膜構造によって測定センサは分離された測定プローブ と基準プローブと共に製造可能である。この場合有利には、基準プローブがガス 混合気の酸素含有量を検出するラムダプローブとして構成され、それに対して測 定プローブは、種々のポンプ流の方向を有する限界電流ポンプセルとして構成さ れ得る。ラムダプローブは、この場合有利には測定プローブのポンプ流の方向を 生ぜしめるために用いられる。それにより、接続された評価回路を介して、測定 されたガス混合気の組成状態に対する、特に内燃機関に対する燃料空気混合気の 設定に関する影響量が取り出される。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載され る。 図面 図１は測定センサの断面を示した図であり、図２は測定センサの電気的な付加的 ブロック回路図を示し図であり、図３ａ〜ｅは測定センサの膜構造を示した図で ある。 実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。図１には全体的に符号１０でたと えば内燃機関の排気ガス等のガス混合気中の酸素濃度検出用測定センサが示され ている。この測定センサ１０は、電気化学的測定プローブ１２と電気化学的基準 プローブ１４からなる。測定プローブ１２も基準プローブ１４も共通のベース基 板上１６に被着されている。このベース基板１６は、たとえば酸化アルミニウム Ａｌ₂Ｏ₃からなる。ベース基板１６上には、拡散バリア１８が被着されている。 この拡散バリア１８は、拡散孔２０を介して測定すべき混合ガスと接触する。こ の拡散バリアはたとえば多孔性の酸化ジルコニアからなる。測定プローブ１２は 、第１の電極２２と第２の電極２４からなり、これらの電極の間には固体電解質 ２６が配設される。電極２２はこの場合拡散バリア１８上に設けられている。こ れに対して電極２４は、測定すべき混合ガスに直接さらされている。電極２２と ２４は、多孔性の白金からなる。固体電解質２６は、たとえば酸化イットリウ ムを有する安定性酸化ジルコニアからなる。測定プローブ１２の構成部、すなわ ち拡散バリア１８、電極２２、固体電解質２６、電極２４は、ベース基板１６に 埋め込まれている。この場合測定プローブ１２の領域ではベース基板１６が個々 の層２８に被着される。ここでは層２８の各々は、図３に基づいて以下に詳細に 説明するように、測定プローブ１２の一部を取り囲む。排気ガスにさらされるよ うに電極２４を取り囲む上方の層はわかりやすくするためにここでは図示されて いない。個々の層２８は例えば酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃からなる。電極２２は 、固体電解質２６と重ねられる層２８を用いて、測定すべき排気ガスに対してガ ス密にシールされる。 基準プローブ１４は第１の電極３０と第２の電極３２からなる。これらの電極 の間には固体電解質３４が配設されている。これらの電極３０と３２は、例えば 多孔性の白金からなり、それに対して固体電解質３４は例えば酸化イットリウム を有する安定性の酸化ジルコニアからなる。電極３０と３２ならびに固体電解質 ３４は、ベース基板１６の層２８に埋め込まれている。基準プローブ１４の第１ の電極３０は、層２８と固体電解質３４によって測定すべき混合ガスに対してガ ス密にシールされ、さらに基準ガス（例えば大気）と接触するように構成される 。基準プローブ１４の第２の電極３２は、測定すべき混合ガスに直接さらされる 。 測定センサ１０は全体的にみて、別個に形成される測定プローブ１２と基準プ ローブ１４からなるが、しかしながらこれらのプローブは共通のベース基板１６ に埋め込まれる。固体電解質２６ないし３４は、専ら電極２２，２４ないし３０ ，３２の領域内に配設されており、測定センサ１０のその他の領域内ではベース 基板１６の層２８によって取り囲まれている。それによって固体電解質２６ない し３４は、固体電解質島状形成部３６（図３）を形成する。この島状形成部３６ は専ら電極２２，２４ないし３０，３２の領域に配設される。電極２２，２４， ３０，３２は図１には示されていない導体線路を介して、外方に案内されるコン タクト箇所に接続される。このコンタクト箇所は評価回路と接続可能である。電 極３２は第１のコンタクト箇所３８と接続され、電極２４は第２のコンタクト箇 所４０と接続され、電極２２と３０は共通の第３のコンタクト箇所４２と接続さ れる。 図２には図１に示された測定センサ１０の付加的ブロック回路図が示されてい る。このブロック回路図では、測定プローブ１２と基準プローブ１４が相互に接 続されて別個に構成された素子であることが示されている。 次に図１と２に示された測定センサ１０の機能を説明する。 測定プローブ１２も基準プローブ１４も測定すべき混合ガス、例えば内燃機関 の排気ガスにさらされる。基準プローブ１４は、この場合一般的に公知のラムダ プローブとして動作する。ここでは基準プローブ１４を介して例えばここには図 示されていない自動車のバッテリ等の電流源から一定の電流Ｉを供給される。こ こにおいて、例えばここでは図示されていない内燃機関の作動に用いられる燃料 空気混合気が濃厚状態から希薄状態へあるいは希薄状態から濃厚状態へ変化する ことによって、基準プローブ１４の電極３２と３０の間で酸素濃度が変化した場 合には、基準プローブ１４における検出電圧（この電圧はここでは図示されてい ない評価回路によって検出される）も変化する。リッチ領域への転換、すなわち 測定すべき排気ガス中の酸素濃度が低くなる場合には、検出電圧も低下する。そ れに対して希薄状態への転換の場合には検出電圧は上昇する。それに基づいて基 準プローブ１４は、内燃機関がリッチな混合気状態で作動されているのかまたは リーンな混合気状態で作動されているのかを示す信号を供給する。ここでは図示 されていない評価回路は、基準プローブ１４から供給された検出電圧を基準電圧 と比較し、その結果から測定電流Ｉ_Mを供給する。この測定電流Ｉ_Mはコンタクト 箇所を介して測定プローブ１２に供給される。測定プローブ１２における拡散バ リア１８は、測定電流Ｉ_Mが測定プローブ１２にお いて専ら酸素拡散過程によって決定され、電極２２において一定の酸素粒子圧が 維持されるように作用する。希薄領域での作動の場合、つまり排ガス中の酸素濃 度が濃厚な場合には拡散バリア１８は特に電極２２への酸素の拡散を阻止し、濃 厚領域での作動の場合、すなわち酸素含有率の少ない排気ガスの場合では特に一 酸化炭素や水素等の未燃成分の電極２２への拡散を阻止する。拡散バリア１８は 、電極２２において基準電圧に相応する酸素粒子圧が生じるように構成されてい る。この基準電圧は、次のように選定される。すなわち排気ガスのラムダ値（空 気過剰率）が１となった場合、つまり燃料空気混合気が化学量論的理想領域にあ る場合に所定の酸素粒子圧が生じるように選定される。これは測定プローブ１２ が電圧に依存する限界電流プローブとして動作することを保証する。基準プロー ブ１４を介して検出される排気ガスのラムダ値に応じてコンタクト個所４０が測 定プローブ１２に対するカソードまたはアノードとして切換わる。ラムダ値が１ よりも大きい場合、つまり燃料空気混合気が希薄領域にある場合には、コンタク ト個所４０はカソードとして切換わり、ラムダ値が１よりも小さい場合、つまり 燃料空気混合気が濃厚領域にある場合には、アノードとして切換わる。発生する 測定電流Ｉ_Mは、測定装置４４、例えば電流計を介して検出される。それによっ て測定電流Ｉ_Mの方向と量は、測定すべきガス混合気 （例えば自動車の排気ガス）中の酸素含有量に対する尺度となる。この測定電流 Ｉ_Mは、この場合酸素含有量に直接比例する。 図３ａ〜ｅは、測定センサ１０の層構造を示したものである。この場合測定セ ンサ１０は図３ａから順にさらなる付加的層と共に平面図で示されている。図１ 及び図２と同じ部分には同じ符号が付され再度の説明は省く。 図３ａにはベース基板１６の平面図が示されている。このベース基板上には拡 散バリア１８が配設されている。この場合拡散バリア１８は、後で拡散孔２０を 形成する中心部を中心としてその回りに配設されている。この場合拡散バリア１ ８は、それぞれ相互に約９０度ずらされている扇形状区分を形成している。この 拡散バリア１８上には測定プローブ１２の第１の電極２２が配設されている。こ の第１の電極２２は、扇状に延在する導体路４６を介して接続されている。別の 導体路４８を介して電極２２はコンタクト個所４２と接続されている。さらに基 準プローブ１４の第１の電極３０（これは電極２２と同じ区分２８（図１）に存 在する）が示されている。この電極３０は、導体路５０を介してコンタクト個所 ４２に接続されている。さらにベース基板１６上にはまだコンタクトされていな いコンタクト個所３８と４０が設けられている。拡散バリア１８、電極２２，３ ０、ならびに導体路４６， ４８，５０はそれぞれ順次連続するステップにおいてスクリーン印刷手法により ベース基板１６上に被着される。接続された導体路４６，４８，５０を有する拡 散領域１８も電極２２ないし３０も、それぞれ中間ステップで被着されたベース 基板１６の層２８内部に埋め込まれる。つまり平面的に取り囲まれる。 図３ｂに示されている次の方法ステップでは固体電解質２６及び３４が被着さ れる。この場合固体電解質２６は電極２２にそして固体電解質３４は電極３０に 位置している。固体電解質２６も固体電解質３４も固体電解質島状形成部３６と して構成される。すなわちこれらは大規模な面ではなく部分的な領域として電極 ２２ないし３０の領域に限定されて被着される。固体電解質２６と３４の間の領 域は、ベース基板１６のさらなる層２８によって、図３ｃに示されているように 充填される。これによって固体電解質島状形成部３６（これはほぼ１つの平面で ベース基板１６の相応の層内に配設される）の構成が達成される。これにより、 測定センサ１０全体と、種々の熱膨張率を有する固体電解質２６，３４およびベ ース基板１６の作動に起因する加熱の際に、固体電解質２６ないし３４の小さな 面構造によって、固体電解質２６，３４ないしベース基板１６の間の熱に起因す る膨張率の違いが最小化される。これにより測定センサ１０内の熱的緊張が低減 され、それにより固体電解質２６ないし３４内の亀裂 形成が回避される。 図３ｄに示されている次の方法ステップでは、ベース基板１６のさらなる層２ ８がこれまでに得られた構造部に被着される。この層２８は、後の電極装置２４ ないし３２に相応するマスキング部５２を有している。このマスキング部５２は 拡散孔２０の構造部も含んでいる。図３ｅに示されている次の方法ステップでは 、電極２４と３２が被着される。この場合電極２４は電極２２の配置構成に相応 して円周上に配置されている。電極２４は、導体路５４によって相互に接続され 、別の導体路５６によってコンタクト個所４０に接続されている。電極３２は、 導体路５８を介してコンタクト個所３８に接続されている。これらの電極２４， ３２と導体路５４，５６，５８もスクリーン印刷手法によって被着可能である。 全体的に測定センサ１０は簡単な層構造によって表されており、この層構造は 一般的に周知の信頼性の高い順次連続するスクリーン印刷ステップによって得ら れる。特に前述したような共通のベース基板１６内での測定プローブ１２と基準 プローブ１４の分離構造も達成可能となる。この場合固体電解質２６ないし３４ はベース基板１６に比べて小さく維持される。 前述の実施例に示した材料例は単なる一例であり、測定センサ１０の使用目的 によってはそれぞれ別の適する材料に置き換えることも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウディオ デ ラ プリエタ ドイツ連邦共和国 70569 シュツットガ ルト シュヴァルツヴァルトシュトラーセ 81 (72)発明者 ゲルト リンデマン ドイツ連邦共和国 72805 リヒテンシュ タイン レルヒェンヴェーク 10 (72)発明者 ウルリッヒ アイゼレ ドイツ連邦共和国 70199 シュツットガ ルト ベックラーシュトラーセ ６ベー (72)発明者 カルメン シュミーデル ドイツ連邦共和国 71726 ベニンゲン マックス−プランク−シュトラーセ 16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1.例えば内燃機関の排気ガス等のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサで あって、 電気化学的測定プローブと電気化学的基準プローブを有しており、前記２つの プローブは、評価回路に接続された２つの電極の間に配設された固体電解質を有 している形式のものにおいて、 前記測定プローブ（１２）と基準プローブ（１４）が相互に分離されて１つの 共通のベース基板（１６）に埋め込まれ、前記固体電解質（２６，３４）は固体 電解質島状形成部（３６）によって形成され、該島状形成部（３６）は専ら電極 （２２，２４ないし３０，３２）領域に配設されていることを特徴とする、ガス 混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 2.前記測定プローブ（１２）はポンプセルとして構成され、前記基準プローブ （１４）はラムダプローブとして構成されている、請求項１記載のガス混合気内 の酸素濃度検出用測定センサ。 3.前記測定センサ（１２）は、個別の例えばスクリーン印刷手法においてベー ス基板（１６）上に被着される層（２８）から構成される、請求項１または２記 載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 4.前記層（２８）は、測定プローブ（１２）と基準プローブ（１４）の個々の 構成部を平面内に含んでい る、請求項１〜３いずれか１項記載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ 。 5.第１の層（２８）に、測定プローブ（１２）のための拡散バリア（１８）が 配設されている、請求項１〜４いずれか１項記載のガス混合気内の酸素濃度検出 用測定センサ。 6.第２の層（２８）に、測定プローブ（１２）の電極（２２）と基準プローブ （１４）の電極（３４）が配設されている、請求項１〜５いずれか１項記載のガ ス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 7.第３の層（２８）に、測定プローブ（１２）と基準プローブ（１４）の固体 電解質（２６，３４）が配設されている、請求項１〜６いずれか１項記載のガス 混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 8.第４の層（２８）に、測定プローブ（１２）と基準プローブ（１４）の電極 （２４，３２）が配設されている、請求項１〜７いずれか１項記載のガス混合気 内の酸素濃度検出用測定センサ。 9.前記測定プローブ（１２）の拡散バリア（１８）、電極（２２）、固体電解 質（２６）及び電極（２４）は、円周上に相互に間隔をあけて配置される個別の 扇形状部で形成され、前記電極（２２）は導体路（４６）を介して、そして前記 電極（２４）は導体路（５４）を介して相互に接続されている、請求項１〜８い ずれか１項記載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定 センサ。 10.前記扇形状部は９０度の角度だけ相互にずらされて配置されている、請求 項９記載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 11.前記扇形状部は、層（２８）によって形成され拡散バリア（１８）とガス 混合気を接触させる拡散孔（２０）の周囲に配設されている、請求項１〜１０い ずれか１項記載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。 12.前記測定プローブ（１２）は、それぞれ拡散バリア（１８）、電極（２２ ）、固体電解質（２６）、電極（２４）からなる、それぞれ９０度だけ相互にず らされて円周面上に配置された３つの扇形状部によって形成され、同一平面上の ４番目に存在する扇形状部が基準プローブ（１４）を形成する、請求項１〜１１ いずれか１項記載のガス混合気内の酸素濃度検出用測定センサ。