WO2002090957A2 - Sensorelememt - Google Patents

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WO2002090957A2
WO2002090957A2 PCT/DE2002/001583 DE0201583W WO02090957A2 WO 2002090957 A2 WO2002090957 A2 WO 2002090957A2 DE 0201583 W DE0201583 W DE 0201583W WO 02090957 A2 WO02090957 A2 WO 02090957A2
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electrode
gas
spacer
percent
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Detlef Heimann
Hans-Joerg Renz
Ulrich Eisele
Lothar Diehl
Thomas Moser
Juergen Karle
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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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
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the invention relates to a sensor element for determining a gas component, in particular for determining the
  • Oxygen concentration in exhaust gases from internal combustion engines according to the preamble of the independent claims.
  • the sensor element which is known to the person skilled in the art under the name broadband lambda probe, has a measuring gas space which is introduced into the sensor element and is connected via a gas inlet opening to the exhaust gas located outside the sensor element and in which a first and a second are located opposite one another Electrode are arranged.
  • a diffusion barrier which has a porous material, is provided between the electrodes and the gas inlet opening. The area between the two electrodes is designed as a cavity.
  • Has measuring gas space which is connected via a gas inlet opening to the exhaust gas located outside the sensor element and in which an electrode is arranged.
  • the measuring gas space is completely filled, ie also in the area of the electrode, with a diffusion barrier which consists of a porous material with a uniform porosity.
  • a disadvantage of these sensor elements is that the gas exchange between the areas facing the gas access opening and that of the gas exchange is arranged in the area of the electrodes due to the diffusion barrier
  • the sensor element according to the invention according to the independent claims has the advantage that indentation of the measuring gas space in the manufacturing process is avoided by at least one spacer element in the measuring gas space and at the same time an adequate gas exchange between different areas of an electrode arranged in the measuring gas space is ensured.
  • the measuring gas space is filled at least in regions with a porous material that has a higher proportion of pores has a diffusion barrier arranged between a gas inlet opening and the measurement gas space.
  • at least one spacer element can be arranged in regions in the measuring gas space, which, for example, has a closed or no porosity and which allows access to the regions of the electrode not covered by the spacer element.
  • a spacer element is proposed which is designed such that the size of the diffusion flow of the measurement gas or one
  • Component of the measuring gas from the gas inlet opening to the electrode is essentially limited by the diffusion barrier.
  • the porosity of the spacer element is chosen so that the pore fraction of the spacer element is at least 30 percent higher than the pore fraction of the diffusion barrier (pore fractions each in volume percent) and / or that the pore fraction of the spacer element is 60 to 80 volume percent, this is sufficient Gas exchange in the sample gas chamber guaranteed particularly reliable.
  • a short circuit between two electrodes arranged in the measuring gas space can be prevented particularly effectively if at least approximately the entire area lying between the two electrodes is filled by the spacer element.
  • a plurality of pillar-like spacer elements are provided in the measuring gas space, which are distributed uniformly, for example, on the side of the measuring gas space facing away from the diffusion barrier are arranged.
  • the spacer elements preferably cover a total of at most 50 percent of the area of the electrode arranged in the measuring gas space. With such an arrangement of the spacer elements, it is guaranteed that the gas exchange in the measuring gas space is not hindered by the spacer elements.
  • the spacer element contains a catalytically active material, for example platinum, which ensures thermodynamic equilibrium between the gas components.
  • a catalytically active material for example platinum
  • a material which is insulating with respect to the electron line is selected for the spacer element.
  • the spacer contains an electron-conducting
  • Material such as, for example, catalytically active platinum, is to be insulated from at least one of the electrodes by an electrically insulating material in order to avoid a short circuit.
  • the spacer element in the unsintered state is formed by a paste.
  • the paste is applied, for example, to a green sheet, that is to say a solid electrolyte layer in the unsintered state, using screen printing technology and, if appropriate after a lamination process, sintered.
  • the paste contains a ceramic powder and a pore former, the average radius of the particles of the ceramic powder and the pore former differing by no more than 20 percent and the volume fraction of the ceramic powder and the pore former in the paste are approximately the same. This achieves optimal space filling and mutual support of the particles of the ceramic powder, as a result of which a spacer element with a high porosity can be produced.
  • the pore former glassy carbon, theobromine, lampblack and / or other carbon compounds with an average particle diameter in the range from 2 to 30 ⁇ m have proven to be suitable.
  • FIG. 1 shows, as a first exemplary embodiment, a sensor element according to the invention in a sectional view
  • FIG. 2 shows a sectional view of the first exemplary embodiment corresponding to section line II-II in FIG. 1
  • FIG. 3 shows the sensor element according to the invention in a sectional view as a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a sectional line IV - IV in Figure 3 corresponding section of the second embodiment.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show, as the first exemplary embodiment of the invention, a sensor element 10 which serves to detect a gas component, for example oxygen in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the sensor element 10 is constructed as a layer system with a first, second, third, fourth and fifth solid electrolyte layer 21, 22, 23, 24, 25.
  • a gas access opening 43 is introduced into the first and second solid electrolyte layers 21, 22.
  • a measurement gas chamber 41 is provided in the second solid electrolyte layer, and a diffusion barrier 44 is provided between the measurement gas chamber 41 and the gas inlet opening 43.
  • the exhaust gas can pass through the gas inlet opening 43 and the diffusion barrier 44 enter the measuring gas space 41.
  • the measuring gas space 41 is separated by the third solid electrolyte layer 23 from a reference gas space 42 which is introduced into the fourth solid electrolyte layer 24, contains a reference gas and is connected, for example, to a reference atmosphere located outside the sensor element 10.
  • a heater 45 is provided between the fourth and fifth solid electrolyte layers 24, 25 and is electrically insulated from the surrounding solid electrolyte layers 24, 25 by a heater insulation 46.
  • a first electrode 31 is applied to the first solid electrolyte layer 21, which is applied with a third electrode to an outer surface of the sensor element 10
  • Electrode 33 and the region of first solid electrolyte layer 21 lying between first and third electrodes 31, 33 form a pump cell.
  • the third electrode 33 is covered with a porous protective layer 35.
  • a second electrode 32 is applied to the third solid electrolyte layer 23 in the measuring gas space 41, which has a fourth electrode 34 arranged in the reference gas space 42 and the area of the third solid electrolyte layer 23 lying between the second and fourth electrodes 32, 34 Nernst cell forms.
  • Measuring gas space 41 filled with a porous material that serves as a spacer 50 has a pore fraction of 60 to 85 percent by volume, preferably 70 percent by volume.
  • the pore fraction of the diffusion barrier 44 is lower than the pore fraction of the spacer element 50 and is 20 to 80 percent by volume, preferably 50 percent by volume.
  • the sensor element 10 is manufactured in a manner known per se by the various functional layers, such as electrodes 31, 32, 33, 34, protective layer 35, diffusion barrier 44 and, for example, by screen printing onto the various green foils, i.e. the solid electrolyte layers in the unsintered state
  • Spacer 50 are applied in the form of pastes.
  • the printed green foils are then laminated together and sintered.
  • the pastes can contain so-called pore formers, such as, for example, glassy carbon, theobromine, lampblack and / or other carbon compounds. The pore formers burn during sintering and leave a cavity.
  • a paste is used for the spacer element 50, which contains a ceramic powder and a powdery pore former with approximately equal proportions by volume.
  • the average diameter of the particles of the ceramic powder and the pore former in the paste are also approximately the same and are in the range from 2 to 30 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m.
  • a second embodiment of the invention differs from the first embodiment in that eight pillar-like spacer elements 51 are provided in the measuring gas chamber 41, which fill only a portion of the measuring gas chamber 41 and which are not necessarily porous.
  • the spacer elements 51 are arranged on the side of the measuring gas chamber 41 facing away from the diffusion barrier 44 at regular intervals and have a rectangular cross section.
  • the retarding elements 51 only cover approximately 20 percent of the area of the first and second Electrode 31, 32, so that sufficient access of the measurement gas to the first and second electrodes 31, 32 is ensured.
  • Embodiment preferably consists of a non-electron-conducting material such as Al 2 0 3 or Zr0 2 .
  • a non-electron-conducting material such as Al 2 0 3 or Zr0 2 .
  • the spacer element 50, 51 is also not ion-conductive (A1 2 0 3 ).
  • the spacer element 50, 51 has a catalytically active substance, preferably platinum. It is to be avoided here that the catalytically active substance electrically connects the first and second electrodes 31, 32.
  • a catalytically active substance preferably platinum.
  • the catalytically active substance electrically connects the first and second electrodes 31, 32.
  • an insulation layer can be provided between the spacer element 50, 51 and the first and second electrodes 31, 32, or the catalytically active material is arranged in the spacer element at a distance from the first and / or second electrode 31, 32.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Bestimmung einer Gaskomponente, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen, in das ein Messgasraum (41) eingebracht ist, in dem mindestens eine Elektrode (31, 32) vorgesehen ist und der über Gaszutrittsöffnung (43) mit dem ausserhalb des Sensorelements (10) befindlichen Gas in Verbindung steht. Zwischen der Gaszutrittsöffnung (43) und der Elektrode (31, 32) ist eine Diffusionsbarriere (44) vorgesehen. Im Messgasraum (41) ist zumindest bereichsweise mindestens ein Abstandselement (50, 51) angeordnet, das einen höheren Porenanteil aufweist als die Diffusionsbarriere (44) oder das einen Zutritt des Messgases zumindest zu den durch das Abstandselement (50, 51) nicht überdeckten Bereichen der Elektrode (31, 32) erlaubt.

Description

Sensorelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung einer Gaskomponente, insbesondere zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise in der DE 198 38 456 AI beschrieben. Das Sensorelement, das dem Fachmann unter der Bezeichnung Breitband-Lambda-Sonde bekannt ist, weist einen in das Sensorelement eingebrachten Meßgasraum auf, der über eine Gaszutrittsöffnung mit dem außerhalb des Sensorelements befindlichen Abgas in Verbindung steht und in dem einander gegenüberliegend eine erste und eine zweite Elektrode angeordnet sind. Zwischen den Elektroden und der Gaszutrittsöffnung ist eine Diffusionsbarriere vorgesehen, die ein poröses Material aufweist. Der Bereich zwischen den beiden Elektroden ist als Hohlraum ausgebildet.
Bei derartigen Sensorelementen ist nachteilig, daß der Hohlraum zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden im Fertigungsprozeß zusammengedrückt werden kann, so daß der Zutritt des Gases zu den Elektroden verschlechtert oder ganz unterbunden wird. Außerdem können die erste und die zweite Elektrode sich berühren, so daß ein Kurzschluß hervorgerufen und so die Sensorfunktion beeinträchtigt wird.
Aus der DE 43 42 005 AI ist weiterhin ein Sensorelement bekannt, das einen in das Sensorelement eingebrachten
Meßgasraum aufweist, der über eine Gaszutrittsöffnung mit dem außerhalb des Sensorelements befindlichen Abgas in Verbindung steht und in dem eine Elektrode angeordnet ist. Der Meßgasraum ist vollständig, also auch im Bereich der Elektrode, mit einer Diffusionsbarriere gefüllt, die aus einem porösen Material mit einer einheitlichen Porosität besteht .
Da bei einem derartigen Sensorelement der Meßgasraum im Bereich der Elektrode ausgefüllt ist, wird ein
Zusammendrücken des Meßgasraums im Fertigungsprozeß vermieden. Bei diesen Sensorelementen ist aber nachteilig, daß durch die im Bereich der Elektroden angeordnete Diffusionsbarriere der Gasaustausch zwischen den der Gaszutrittsöffnung zugewandten Bereichen und den der
Gaszutrittsöffnung abgewandten Bereichen der Elektrode behindert wird, so daß die Elektrode ungleichmäßig belastet wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen hat den Vorteil, daß ein Eindrücken des Meßgasraums im Fertigungsprozeß durch mindestens ein Abstandselement im Meßgasraum vermieden wird und gleichzeitig ein ausreichender Gasaustausch zwischen verschiedenen Bereichen einer im Meßgasraum angeordneten Elektrode gewährleistet ist.
Hierzu wird der Meßgasraum zumindest bereichsweise mit einem porösen Material gefüllt, das einen höheren Porenanteil aufweist als eine zwischen einer Gaszutrittsöffnung und dem Meßgasraum angeordnete Diffusionsbarriere. In einer alternativen Lösung kann bereichsweise in dem Meßgasraum mindestens ein Abstandselement angeordnet sein, das beispielsweise eine geschlossene oder gar keine Porosität aufweist und das einen Zutritt zu den von dem Abstandselement nicht überdeckten Bereichen der Elektrode erlaubt. Als weitere Alternative wird ein Abstandselement vorgeschlagen, das so ausgeführt ist, daß die Größe des DiffusionsStroms des Meßgases beziehungsweise einer
Komponente des Meßgases von der Gaszutrittsöffnung zur Elektrode im wesentlichen durch die Diffusionsbarriere begrenzt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensorelements möglich.
Wird die Porosität des Abstandselements so gewählt, daß der Porenanteil des Abstandselement um mindestens 30 Prozent höher liegt als der Porenanteil der Diffusionsbarriere (Porenanteile jeweils in Volumenprozent) , und/oder daß der Porenanteil des Abstandselements bei 60 bis 80 Volumenprozent liegt, so ist ein ausreichender Gasaustausch im Meßgasraum besonders zuverlässig gewährleistet. Ein Kurzschluß zwischen zwei im Meßgasraum angeordneten Elektroden kann besonders wirkungsvoll verhindert werden, wenn zumindest näherungsweise der gesamte zwischen den beiden Elektroden liegende Bereich durch das Abstandselement ausgefüllt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind im Meßgasraum mehrere stützpfeilerartige Abstandselemente vorgesehen, die beispielsweise gleichmäßig verteilt auf der der Diffusionsbarriere abgewandten Seite des Meßgasraums angeordnet sind. Vorzugsweise überdecken die Abstandselemente insgesamt höchstens 50 Prozent der Fläche der im Meßgasraum angeordneten Elektrode . Bei einer derartigen Anordnung der Abstandselemente ist sicher gewährleistet, daß der Gasaustausch im Meßgasraum durch die Abstandselemente nicht behindert wird.
Besonders vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Abstandselement ein katalytisch aktives Material, beispielsweise Platin, enthält, wodurch eine thermodynamische Gleichgewichtseinstellung der Gasbestandteile untereinander gewährleistet ist.
Sind im Meßgasraum zwei Elektroden vorgesehen, die beide mit dem Abstandselement in Verbindung stehen, so wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Vermeidung einer unerwünschten elektrischen Verbindung zwischen den beiden Elektroden für das Abstandselement ein bezüglich Elektronenleitung isolierendes Material gewählt. Enthält das Abstandselement ein elektronenleitendes
Material, wie zum Beispiel katalytisch aktives Platin, so ist zur Vermeidung eines Kurzschlusses das elektronenleitende Material von mindestens einer der Elektroden durch ein elektrisch isolierendes Material zu isolieren.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Abstandselements wird das Abstandselement im ungesinterten Zustand durch eine Paste gebildet. Die Paste wird beispielsweise in Siebdrucktechnik auf eine Grünfolie, also eine Festelektrolytschicht im ungesinterten Zustand, aufgebracht und, gegebenenfalls nach einem Laminierprozeß, gesintert. Die Paste enthält ein keramisches Pulver und einen Porenbildner, wobei der mittlere Radius der Teilchen des keramischen Pulvers und des Porenbildners sich um nicht mehr als 20 Prozent unterscheiden und der Volumenanteil des keramischen Pulvers und des Porenbildners in der Paste ungefähr gleich sind. Hierdurch wird eine optimale Raumerfüllung und eine gegenseitige Stützung der Teilchen des keramischen Pulvers erreicht, wodurch ein Abstandselement mit einer hohen Porosität hergestellt werden kann. Für den Porenbildner haben sich Glaskohle, Theobromin, Flammruß und/oder andere KohlenstoffVerbindungen mit einem mittleren Durchmesser der Teilchen im Bereich von 2 bis 30 μ als geeignet erwiesen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Figur 1 als erstes Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Sensorelement in einer Schnittdarstellung, Figur 2 einen der Schnittlinie II - II in der Figur 1 entsprechenden Schnitt des ersten Ausführungsbeispiels, Figur 3 als zweites Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße Sensorelement in einer Schnittdarstellung und Figur 4 einen der Schnittlinie IV - IV in der Figur 3 entsprechenden Schnitt des zweiten Ausführungsbeispiels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 und Figur 2 zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sensorelement 10, das dem Nachweis einer Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff im Abgas eines Verbrennungsmotors, dient. Das Sensorelement 10 ist als Schichtsystem mit einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Festelektrolytschicht 21, 22, 23, 24, 25 aufgebaut. In die erste und zweite Festelektrolytschicht 21, 22 ist eine Gaszutrittsöffnung 43 eingebracht. In der zweiten Festelektrolytschicht ist ein Meßgasraum 41 sowie zwischen dem Meßgasraum 41 und der Gaszutrittsöffnung 43 eine Diffusionsbarriere 44 vorgesehen. Das Abgas kann durch die Gaszutrittsöffnung 43 und die Diffusionsbarriere 44 in den Meßgasraum 41 gelangen. Der Meßgasraum 41 ist durch die dritte Festelektrolytschicht 23 von einem Referenzgasraum 42 getrennt, der in die vierte Festelektrolytschicht 24 eingebracht ist, ein Referenzgas enthält und beispielsweise mit einer außerhalb des Sensorelements 10 gelegenen Referenzatmosphäre in Verbindung steht. Zwischen der vierten und der fünften Festelektrolytschicht 24, 25 ist ein Heizer 45 vorgesehen, der von den umgebenden Festelektrolytschichten 24, 25 durch eine Heizerisolation 46 elektrisch isoliert ist.
Im Meßgasraum 41 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 21 eine erste Elektrode 31 aufgebracht, die mit einer dritten, auf eine Außenfläche des Sensorelements 10 aufgebrachten
Elektrode 33 sowie dem zwischen erster und dritter Elektrode 31, 33 liegenden Bereich der ersten FestelektrolytSchicht 21 eine Pumpzelle bildet. Die dritte Elektrode 33 ist mit einer porösen Schutzschicht 35 überzogen. Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden Seite ist im Meßgasraum 41 eine zweite Elektrode 32 auf der dritten Festelektrolytschicht 23 aufgebracht, die mit einer im Referenzgasraum 42 angeordneten vierten Elektrode 34 sowie dem zwischen zweiter und vierter Elektrode 32, 34 liegenden Bereich der dritten Festelektrolytschicht 23 eine Nernstzelle bildet.
Um zu vermeiden, daß der Meßgasraum 41 bei der Fertigung des Sensorelements 10 zusammengedrückt wird und dadurch die erste und die zweite Elektrode 31, 32 kurzgeschlossen werden oder sich die dem Meßgas zugängliche Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode 31, 32 verringert, wird der Meßgasraum 41 mit einem porösen Material ausgefüllt, das als Abstandselement 50 dient. Das Abstandselement 50 weist einen Porenanteil von 60 bis 85 Volumenprozent, vorzugsweise 70 Volumenprozent auf. Der Porenanteil der Diffusionsbarriere 44 ist dagegen niedriger als der Porenanteil des Abstandselements 50 und liegt bei 20 bis 80 Volumenprozent, vorzugsweise 50 Volumenprozent.
Das Sensorelement 10 wird in an sich bekannter Weise gefertigt, indem auf die verschiedenen Grünfolien, also die Festelektrolytschichten im ungesinterten Zustand, beispielsweise durch Siebdruck die verschiedenen Funktionsschichten, wie beispielsweise Elektroden 31, 32, 33, 34, Schutzschicht 35, Diffusionsbarriere 44 und
Abstandselement 50, in Form von Pasten aufgebracht werden. Danach werden die bedruckten Grünfolien zusammenlaminiert und gesintert. Die Pasten können sogenannte Porenbildner, wie beispielsweise Glaskohle, Theobromin, Flammruß und/oder andere Kohlenstoffverbindungen, enthalten. Die Porenbildner verbrennen beim Sintern und lassen einen Hohlraum zurück.
Für das Abstandselement 50 wird eine Paste verwendet, die ein keramisches Pulver und einen pulverförmigen Porenbildner mit ungefähr gleichen Volumenanteilen enthält. Der mittlere Durchmesser der Teilchen des keramischen Pulvers und des Porenbildners in der Paste sind ebenfalls ungefähr gleich und liegen im Bereich von 2 bis 30 μm, vorzugsweise bei 10 μm.
In Figur 3 und Figur 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß im Meßgasraum 41 acht stützpfeilerartige Abstandselemente 51 vorgesehen sind, die nur einen Teilbereich des Meßgasraums 41 ausfüllen und die nicht notwendig porös ausgeführt sind. Die Abstandselemente 51 sind auf der der Diffusionsbarriere 44 abgewandten Seite des Meßgasraums 41 in gleichmäßigen Abständen angeordnet und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Abs andselemente 51 überdecken nur ungefähr 20 Prozent der Fläche der ersten und zweiten Elektrode 31, 32, so daß ein ausreichender Zutritt des Meßgases zu der ersten und zweiten Elektrode 31, 32 gewährleistet ist.
Das AbStandselement 50, 51 des ersten und zweiten
Ausführungsbeispiels besteht vorzugsweise aus einem nicht elektronenleitenden Material wie beispielsweise Al203 oder Zr02. Für spezielle Anwendungen kann es erforderlich sein, daß das Abstandselement 50, 51 auch nicht ionenleitend ist (A1203) .
In einer alternativen Ausführungsform des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels weist das Abstandselement 50, 51 eine katalytisch aktive Substanz, vorzugsweise Platin auf. Hierbei ist zu vermeiden, daß durch die katalytisch aktive Substanz die erste und die zweite Elektrode 31, 32 elektrisch verbunden werden. Hierzu kann beispielsweise eine Isolationsschicht zwischen dem Abstandselement 50, 51 und der ersten und zweiten Elektrode 31, 32 vorgesehen sein, oder das katalytisch aktive Material ist im Abstandselement beabstandet von der ersten und/oder zweiten Elektrode 31, 32 angeordnet .

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement zur Bestimmung einer Gaskomponente, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in das
Sensorelement (10) eingebrachten Meßgasraum (41) , in dem mindestens eine Elektrode (31, 32) vorgesehen ist und der über eine Gaszutrittsöffnung (43) mit dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Gas in Verbindung steht, wobei zwischen der Gaszutrittsöffnung (43) und der
Elektrode (31, 32) eine Diffusionsbarriere (44) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgasraum (41) zumindest bereichsweise mindestens ein Abstandselement (50) vorgesehen ist, das einen höheren Porenanteil aufweist als die Diffusionsbarriere (44) .
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (50) zumindest näherungsweise den gesamten Bereich zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode (31, 32) ausfüllt.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (50) einen Porenanteil in Volumenprozent aufweist, der mindestens 30 Prozent höher liegt als der Porenanteil in Volumenprozent der Diffusionsbarriere (44) .
4. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (50) einen Porenanteil von 60 bis 85, vorzugsweise 70 Volumenprozent aufweist.
5. Sensorelement zur Bestimmung einer Gaskomponente, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in das
Sensorelement (10) eingebrachten Meßgasraum (41) , in dem mindestens eine Elektrode (31, 32) vorgesehen ist und der über eine Gaszutrittsöffnung (43) mit dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Gas in Verbindung steht, wobei zwischen der Gaszutrittsöffnung (43) und der
Elektrode (31, 32) eine Diffusionsbarriere (44) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgasraum (41) bereichsweise mindestens ein Abstandselement (51) vorgesehen ist, das einen Zutritt des Meßgases zumindest zu den durch das Abstandselement (51) nicht überdeckten
Bereichen der Elektrode (31, 32) erlaubt.
6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement oder die Abstandselemente (51) höchstens 50 Prozent, vorzugsweise 0 bis 30 Prozent der
Fläche der Elektrode (31, 32) überdeckt/überdecken.
7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (51) eine geschlossene Porosität oder keine Porosität aufweist.
8. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (51) einen rechteckigen, dreieckigen oder kreissegmentartigen Querschnitt aufweist.
9. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement oder die Abstandselemente (51) stützpfeilerartig im Meßgasraum (41) angeordnet ist/sind, daß die Abstandselemente (51) vorzugsweise auf der der Diffusionsbarriere (44) abgewandten Seite des Meßgasraums (41) angeordnet sind, daß die Abstandselemente (51) gleichmäßig im Meßgasraum (41) angeordnet sind und/oder daß 4 bis 12, vorzugsweise 8 stützpfeilerartige Abstandselemente (51) vorgesehen sind.
10. Sensorelement zur Bestimmung einer Gaskomponente, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in das Sensorelement (10) eingebrachten Meßgasraum (41) , in dem mindestens eine Elektrode (31, 32) vorgesehen ist und der über eine Gaszutrittsöffnung (43) mit dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Gas in Verbindung steht, wobei zwischen der GasZutrittsöffnung (43) und der Elektrode (31, 32) beabstandet von der Elektrode (31, 32) eine Diffusionsbarriere (44) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des DiffusionsStroms des Meßgases beziehungsweise einer Komponente des Meßgases von der Gaszutrittsöffnung (43) zur Elektrode (31, 32) im wesentlichen durch die Diffusionsbarriere (44) begrenzt wird.
11. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgasraum (41) eine zweite Elektrode (32) vorgesehen ist, die auf einer einer ersten Elektrode (31) gegenüberliegenden Seiten des Meßgasraumes (41) angeordnet ist.
12. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abstandselement (50, 51) ein bezüglich Elektronenleitung isolierendes Material aufweist.
13. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (50, 51) Al203 und/oder Zr02 aufweist.
14. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (50, 51) ein katalytisch aktives Material enthält.
15. Sensorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch aktive Material elektronenleitend ist und beispielsweise Platin aufweist, und daß das katalytisch aktive Material im oder am Abstandselement
(50, 51) beabstandet von der ersten und/oder der zweiten Elektrode (31, 32) angeordnet ist.
16.Verfahren zur Fertigung eines Sensorelements nach Anspruch 1, 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abstandselement (50, 51) durch eine Paste gebildet wird, die vor einem Sinterprozeß einen Porenbildner und ein keramisches Material enthält, wobei der mittlere Radius der Teilchen des keramischen Pulvers und des Porenbildners sich um nicht mehr als 20 Prozent unterscheiden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des keramischen Materials in der Paste im ungesinterten Zustand 20 bis 40 Volumenprozent, vorzugsweise 30 Volumenprozent, beträgt.
18.Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbildner Glaskohle, Theobromin, Flammruß und/oder andere Kohlenstoffverbindungen enthält.
19.Verfahren nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des keramischen Materials und der Volumenanteil des Porenbildners in der
Paste im ungesinterten Zustand sich um nicht mehr als 20 Prozent unterscheiden.
20.Verfahren nach Anspruch 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser der Teilchen des keramischen Pulvers und/oder des Porenbildners im Bereich von 2 bis 30 μm, vorzugsweise bei 10 μm, liegt.
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