WO2003036281A2 - Gasmessfühler - Google Patents

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WO2003036281A2
WO2003036281A2 PCT/DE2002/003770 DE0203770W WO03036281A2 WO 2003036281 A2 WO2003036281 A2 WO 2003036281A2 DE 0203770 W DE0203770 W DE 0203770W WO 03036281 A2 WO03036281 A2 WO 03036281A2
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gas
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solid electrolyte
sensor according
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Heiner Scheer
Carsten Springhorn
Hans-Joerg Renz
Frank Haag
Walter Strassner
Lothar Diehl
Thomas Moser
Stefan Rodewald
Marten Mamey
Juergen Karle
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to EP02781128A priority patent/EP1438572A2/de
Priority to US10/493,199 priority patent/US7445699B2/en
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
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    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor according to the preamble of claim 1.
  • Such a gas sensor is described for example in DE 199 41 051 AI for use in exhaust gas analysis of internal combustion engines.
  • the gas sensor is used to control the air / fuel ratio of combustion mixtures in motor vehicle engines and contains a sensor element in which a concentration cell (Nernst cell) is combined with an electrochemical pump cell.
  • the concentration cell of the sensor element has a measuring electrode arranged in a measuring gas area and a reference electrode arranged in a reference gas area.
  • the two electrodes are applied to a solid electrolyte body and electrically connected via the solid electrolyte body.
  • the measuring gas area in which the measuring electrode is arranged is connected to the exhaust gas outside the sensor element via a diffusion barrier and a gas access hole.
  • the reference gas region is in a reference atmosphere via an opening on the side of the sensor element facing away from the measurement gas region Connection.
  • the measuring gas area and the reference gas area lie in the same layer plane of the sensor element constructed as a layer system and are separated by a gas-tight separating body.
  • the oxygen partial pressure in the sample gas range can be determined from the Nernst voltage.
  • the pump cell of the sensor element has an annular outer pump electrode arranged on an outer surface of the sensor element and exposed to the exhaust gas, and an likewise ring-shaped inner pump electrode arranged on the solid electrolyte body in the measuring gas region.
  • the inner pump electrode can coincide with the measuring electrode of the Nernst cell or be electrically connected to it.
  • the outer pump electrode has a larger outer radius and a smaller inner radius than the inner pump electrode, so that the area of the outer pump electrode is larger than the area of the inner pump electrode.
  • the electrodes are electrically connected via leads to contact surfaces arranged on the side of the sensor element facing away from the electrodes.
  • the feed lines of the electrodes, in particular the feed line of the outer pump electrode are electrically insulated from the solid electrolyte body by an insulation layer.
  • the pump cell pumps oxygen ions via the solid electrolyte body from the sample gas area into the exhaust gas or vice versa from the exhaust gas into the sample gas area.
  • the pump current flowing in the pump cell is limited by the diffusion flow of the gas molecules flowing through the diffusion barrier and consuming oxygen in the sample gas area (the oxygen pumped into the sample gas area reacts with the oxygen there consuming gas molecules).
  • the diffusion flow is proportional to the oxygen concentration of the exhaust gas in the case of lean exhaust gas and to the concentration of the oxygen-consuming gas molecules in the case of rich exhaust gas. In this way, the oxygen partial pressure of the exhaust gas or the partial pressure of the oxygen-consuming gas molecules can be determined from the pump current.
  • the sensor element contains an electrochemical cell, which has a first electrode (outer pump electrode) arranged on an outer surface of the sensor element facing the gas and a second electrode (inner pump electrode, measuring electrode) arranged in a measuring gas region, as well as a solid electrolyte body arranged between the two electrodes and electrically connecting them.
  • the first electrode is directly exposed to the exhaust gas, the oxygen partial pressure of which is subject to major changes. If the exhaust gas is lean, that is to say oxygen-rich, the solid electrolyte also has a high proportion of oxygen in the region of the first electrode. Since the oxygen in the solid electrolyte is in the form of ions, a large amount of charge is formed in the region of the first electrode when the exhaust gas is lean.
  • the annular first electrode advantageously has an outer radius in the range from 1.1 to 1.7 mm, preferably 1.4 mm, and an inner radius from 0.3 to 0.9 mm, preferably 0.6 mm.
  • the outer radius of the annular second electrode is in the range from 1.7 to 2.1 mm, in particular at 1.9 mm, and the inner radius in the range from 0.8 to 1.2 mm, preferably at 1.0 mm.
  • the first and the second electrodes are elliptical in shape and have an elliptical recess, the ratio of the main axis to the secondary axis being in the range from 2: 1 to 1.1: 1, preferably 1.5: 1.
  • a temperature distribution is formed in which areas with the same in the large areas of the sensor element, for example on the outer surface on which the first electrode is applied Temperature are elliptical. Therefore, an elliptical shape of the electrodes ensures that the temperature differences in different areas of the electrode surface are reduced. 5
  • the first and second electrodes advantageously contain a recess in which there is a gas inlet opening, through which the gas can reach the measuring gas area.
  • the sensor element also has a reference gas range,
  • a third electrode is arranged in the reference gas area.
  • the reference gas region is advantageously provided in the layer plane of the measuring gas region.
  • the electrode is understood to mean that region of the conductor track which is applied to a solid electrolyte body and which is in direct contact with the solid electrolyte body and is therefore electrical
  • Solid electrolyte body is electrically insulated, referred to as the lead of the electrode.
  • the conductor track is therefore in the areas in which it is directly on the solid electrolyte body
  • the feed line of the first electrode is arranged at least in regions in the section which is formed by the vertical projection of the second electrode onto the large area of the first electrode.
  • the conductor track of the first electrode has a partial area which lies in the area of the projection of the second electrode on the large area of the first electrode and in which the conductor track of the first electrode is electrically insulated from the first solid electrolyte body by insulation.
  • the insulated partial area is advantageously provided on or adjacent to the side of the first electrode facing the reference gas area.
  • Figure 2 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of the sensor element of a second embodiment of the gas sensor according to the invention
  • Figure 3 and Figure 4 is a plan view of the sensor element of the first and second embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a section along the Longitudinal axis of the sensor element of a third embodiment of the gas sensor according to the invention along the line V - V in Figure 6
  • Figure 6 is a plan view on the sensor element of the third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows, as the first exemplary embodiment of the invention, a sensor element 10 of a gas sensor designated as a broadband lambda probe.
  • the sensor element 10 is as
  • Diffusion barrier 34 and a sealing frame 35 are arranged.
  • the likewise hollow-cylindrical diffusion barrier 34 is arranged, in the middle of which the gas inlet opening 36
  • the measuring gas can pass through the gas inlet opening 36 via the diffusion barrier 34 into the measuring gas region 31.
  • the separating body 33 forms a gas-tight barrier between the measuring gas region 31 and the reference gas region 32.
  • the channel-shaped reference gas region 32 contains a porous one
  • Sample gas area 31 and reference gas area 32 are laterally surrounded by a sealing frame 35.
  • a first electrode 41 (outer pump electrode) is arranged on an outer surface of the first solid electrolyte body 21 and is covered by a porous protective layer 45.
  • a second 15 electrode 42 (measuring electrode, inner pump electrode) is provided in the measuring gas region 31.
  • a third electrode 43 (reference electrode) is provided in the reference gas region 32 in the reference gas region 32 .
  • the first electrode 41 forms, together with the second electrode 42, a pump cell which pumps oxygen into or out of the measurement gas region 31 by means of external wiring.
  • the pump voltage applied to the pump cell by the external circuitry is regulated in such a way that a predetermined oxygen partial pressure is present in the measuring gas region 31.
  • the oxygen partial pressure present in the measuring gas region 31 is determined by a Nernst cell which is formed by the second electrode 42 and the third electrode 43.
  • the Nernst cell is used to measure a Nernst voltage caused by different oxygen partial pressures in the measuring gas region 31 and in the reference gas region 32, which - as described above - is used to regulate the pump voltage.
  • the electrode belonging to the Nernst cell in the measurement gas region 31 and / or the electrode belonging to the Nernst cell in the reference gas region 32 can be applied to the second solid electrolyte body 22.
  • At least one further electrode belonging to the Nernst cell can be arranged in the measurement gas region 31 and / or in the reference gas region 32 on the second solid electrolyte body 22.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention, which differs from the first exemplary embodiment in that the measuring gas region and reference gas region are not arranged in the same layer plane but in different layer planes of the sensor element 110.
  • the sensor element 110 has a first, a second, a third and a fourth solid electrolyte body 121, 122, 123, 124.
  • a measuring gas region 131, a diffusion barrier 134 and a sealing frame 135 are arranged between the first and the second solid electrolyte bodies 121, 122.
  • the exhaust gas passes through a gas access opening 136 introduced into the first solid electrolyte body 121 and via the diffusion barrier 134 into the measuring gas region 131.
  • a reference gas region 132 is introduced into the third solid electrolyte body 123.
  • a heater 137 which is embedded in a heater insulation 138, is provided between the third and fourth solid electrolyte bodies 123, 124.
  • a first electrode 141 which is covered by a porous protective layer 145, is applied to the outer surface of the first solid electrolyte body 121.
  • a second electrode 142 is arranged on the first solid electrolyte body 121 and a third electrode 143 on the second solid electrolyte body.
  • a fourth electrode 144 is provided on the second solid electrolyte body 122 in the reference gas region 132.
  • the first and second electrodes 141, 142 form a pump cell with the first solid electrolyte body 121, the third and fourth electrodes 143, 144 form a Nernst cell with the second solid electrolyte body 122.
  • the functioning of these electrochemical cells corresponds to that of the first exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows the arrangement of the first electrode 41, 141 and the second electrode 42, 142 on the first solid electrolyte body 21, 121 in a first embodiment of the first and second embodiments.
  • the porous protective layer 45, 145 has been omitted.
  • the first electrode 41, 141 is arranged in a ring around the gas inlet opening 36, 136.
  • the inner radius of the first electrode 41, 141 is 0.6 mm, the outer radius is 1.4 mm.
  • a supply line 41a, 141a connects to the first electrode 41, 141 and leads to a contact surface (not shown) on the side of the sensor element 10, 110 facing away from the electrodes.
  • the first electrode is over the contact surface
  • the feed line 41a, 141a to the first electrode 41, 141 is electrically insulated from the first solid electrolyte body 21, 121 by an insulation layer 47 147.
  • the insulation layer 47, 147 follows the circular outer contour of the first electrode 41, 141 in the transition region between the first electrode 41, 141 and the lead 41a, 141a to the first electrode 41, 141.
  • the second electrode 42, 142 (shown in dashed lines in FIG. 3) is also arranged in a ring around the gas inlet opening 36, 136. Their inside diameter is 10 mm, their outside diameter is 20 mm. The area of the first electrode 41, 141 is thus approximately half the area of the second electrode 42, 142.
  • the second electrode 42, 142 (shown in dashed lines in FIG. 3) is also arranged in a ring around the gas inlet opening 36, 136. Their inside diameter is 10 mm, their outside diameter is 20 mm. The area of the first electrode 41, 141 is thus approximately half the area of the second electrode 42, 142.
  • the second electrode 42, 142 (shown in dashed lines in FIG. 3) is also arranged in a ring around the gas inlet opening 36, 136. Their inside diameter is 10 mm, their outside diameter is 20 mm. The area of the first electrode 41, 141 is thus approximately half the area of the second electrode 42, 142.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the first and second exemplary embodiments.
  • the porous protective layer 45, 145 and the insulating layer 47, 147 have been omitted.
  • the first electrode 41, 141 is elliptically shaped and has an elliptical recess in which the gas inlet opening 36, 136 is arranged.
  • the ratio of the main axis to the secondary axis of both the outer and the inner boundary of the first electrode 41, 141 is 1.5: 1.
  • the second electrode (not shown) is elliptically shaped like the first electrode 41, 141, the area of the second electrode being twice as large as the area of the first electrode 41, 141.
  • the main axes of the two ellipses of the inner and outer boundaries of the first electrodes 41, 141 are parallel to the longitudinal axis of sensor element 10, 110.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show a third exemplary embodiment of the invention, which differs from the first exemplary embodiment in the design of the first electrode 241, the lead 241a to the first electrode 241, the insulation layer 247 and the porous protective layer 245.
  • the further elements of the sensor element of the third exemplary embodiment were designated with the same reference numerals as in the first exemplary embodiment shown in FIG.
  • the first conductor track (ie the first electrode 241 and the lead 241a to the first electrode 241) and the second conductor track (ie the second electrode 42 and the one not shown)
  • the lead 241a of the first electrode 241 is electrically insulated from the first solid electrolyte body 21 by the insulation layer 247. Insulation layer 247 also extends into one
  • the insulation layer 247 consists essentially of aluminum oxide.
  • Embodiments of the third exemplary embodiment are conceivable in which the first conductor track and the second conductor track are not of the same shape even in the measuring range of the sensor element 10.
  • the first electrode 241 can be configured smaller than the second electrode 242, that is to say, for example, have a smaller outer radius or a smaller inner and outer radius or a larger inner radius than the second electrode 242.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described and can also be applied to sensor elements with a different structure in which malfunctions occur due to a high amount of charge in the area of an electrode applied to an outer surface of the sensor element.

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Abstract

Ein Gasmessfühler zum Nachweis mindestens einer physikalischen Grösse eines Gases, insbesondere von Abgasen eines Verbrennungsmotors, der ein Sensorelement (10, 110) mit einer elektrochemischen Zelle enthält. Die elektrochemische Zelle umfasst einen ersten Festelektrolytkörper (21, 121), auf dem eine erste Elektrode (41, 141, 241) und eine zweite Elektrode (42, 142) aufgebracht sind. Die erste und die zweite Elektrode (41, 141, 241, 42, 142) durch den ersten Festelektrolytkörper (21, 121) elektrisch verbunden. Die erste Elektrode (41, 141, 241) steht in Kontakt zu dem Gas. Die Fläche der ersten Elektrode (41, 141, 241) ist kleiner als die Fläche der zweiten Elektrode (42, 142).

Description

Gasmeßfühler
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmeßfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Gasmeßfühler ist beispielsweise aus der DE 199 41 051 AI zum Einsatz in der Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren beschrieben. Der Gasmeßfühler dient der Regelung des Luft- /KraftstoffVerhältnisses von Verbrennungsgemischen in Kraftfahrzeugmotoren und enthält ein Sensorelement, in dem eine Konzentrationszelle (Nernstzelle) mit einer elektrochemischen Pumpzelle kombiniert wird.
Die Konzentrationszelle des Sensorelements weist eine in einem Meßgasbereich angeordnete Meßelektrode und eine in einem Referenzgasbereich angeordnete Referenzelektrode auf . Die beiden Elektroden sind auf einem Festelektrolytkörper aufgebracht und über den Festelektrolytkörper elektrisch verbunden. Der Meßgasbereich, in dem die Meßelektrode angeordnet ist, ist über eine Diffusionsbarriere und ein Gaszutrittsloch mit dem Abgas außerhalb des Sensorelements verbunden. Der Referenzgasbereich steht über eine auf der dem Meßgasbereich abgewandten Seite des Sensorelements gelegenen Öffnung mit einer Referenzatmosphäre in Verbindung. Meßgasbereich und Referenzgasbereich liegen in derselben Schichtebene des als Schichtsystem aufgebauten Sensorelements und sind durch einen gasdichten Trennkörper getrennt. Bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken in Meßgasbereich und Refernenzgasbereich bildet sich zwischen der Meßelektrode und der Referenzelektrode eine sogenannte NernstSpannung aus. Bei konstantem Sauerstoffpartialdruck im Referenzgasraum kann aus der NernstSpannung der Sauerstoffpartialdruck im Meßgasbereich ermittelt werden.
Die Pumpzelle des Sensorelements weist eine auf einer Außenfläche des Sensorelements angeordnete, dem Abgas ausgesetzte ringförmige Außenpumpelektrode und eine im Meßgasbereich auf dem Festelektrolytkörper angeordnete, ebenfalls ringförmige Innenpumpelektrode auf. Die Innenpumpelektrode kann mit der Meßelektrode der Nernstzelle zusammenfallen oder mit ihr elektrisch verbunden sein. Die Außenpumpelektrode weist einen größeren Außenradius und einen kleineren Innenradius als die Innenpumpelektrode auf, so daß die Fläche der Außenpu pelektrode größer ist als die Fläche der Innenpumpelektrode. Die Elektroden sind über Zuleitungen mit auf der den Elektroden abgewandten Seite des Sensorelements angeordneten Kontaktflächen elektrisch verbunden. Die Zuleitungen der Elektroden, insbesondere die Zuleitung der Außenpumpelektrode, ist durch eine Isolationsschicht gegen den Festelektrolytkörper elektrisch isoliert.
Durch Anlegen einer Pumpspannung zwischen der Außenpumpelektrode und der Innenpumpelektrode pumpt die Pumpzelle Sauerstoffionen über den Festelektrolytkörper aus dem Meßgasbereich in das Abgas oder umgekehrt aus dem Abgas in den Meßgasbereich. Die Pumpspannung wird durch eine äußere Beschaltung so geregelt, daß zwischen den Elektroden der Nernstzelle eine NernstSpannung von ungefähr 450 mV anliegt, was einem Sauerstoffpartialdruck im Meßgasbereich von lambda=l entspricht (stöchiometrisches Luft-Kraftstoff- Verhältnis) . Dementsprechend wird im Falle eines mageren Abgases (lambda>l) Sauerstoff aus dem Meßgasbereich herausgepumpt, wobei der in der Pumpzelle fließende Pumpstrom durch den Diffusionsstrom der durch die Diffusionsbarriere in den Meßgasbereich strömenden Sauerstoffmoleküle begrenzt ist. Bei fettem Abgas (lambda<l) wird Sauerstoff in den Meßgasbereich hineingepumpt, und der in der Pumpzelle fließende Pumpstrom wird durch den Diffusionsstrom der durch die Diffusionsbarriere strömenden, im Meßgasbereich Sauerstoff verbrauchenden Gasmoleküle begrenzt (der in den Meßgasbereich gepumpte Sauerstoff reagiert dort mit den Sauerstoff verbrauchenden Gasmolekülen) . Der Diffusionsstrom ist bei magerem Abgas proportional zur Sauerstoffkonzentration des Abgases und bei fettem Abgas proportional zur Konzentration der Sauerstoff verbrauchenden Gasmoleküle. Damit läßt sich aus dem Pumpstrom der Sauerstoffpartialdruck des Abgases beziehungsweise der Partialdruck der Sauerstoff verbrauchenden Gasmoleküle ermitteln.
Aus der DE 199 60 329 AI ist ein Gasmeßfühler mit einem ähnlichen Sensorelement bekannt. Im Unterschied zu dem in der DE 199 41 051 AI beschriebenen Sensorelement sind der Meßgasbereich und der Referenzgasbereich in unterschiedlichen Schichtebenen angeordnet. Die Flächen der Außenpumpelektrode und der Innenpumpelektrode sind gleich.
Bei derartigen Sensorelementen ist nachteilig, daß bei einem Wechsel der Richtung des Pumpstroms, der im Betrieb des
Gasmeßfühlers zum Beispiel bei einem Wechsel von magerem zu fettem Abgas erfolgt, ein Überschwinger beziehungsweise ein Gegenschwinger im Sondensignal hervorgerufen wird. Diese sogenannte λ=l-Welligkeit beeinträchtigt die Auswertung des Sondensignals. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmeßfühler gemäß dem unabhängigen Anspruch hat den Vorteil, daß die λ=l-Welligkeit stark verringert oder ganz vermieden wird.
Das Sensorelement enthält eine elektrochemische Zelle, die eine auf einer dem Gas zugewandten Außenfläche des Sensorelements angeordnete erste Elektrode (Außenpumpelektrode) und eine in einem Meßgasbereich angeordnete zweite Elektrode (Innenpumpelektrode, Meßelektrode) sowie einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten, diese elektrisch verbindenden Festelektrolytkörper aufweist. Die erste Elektrode ist direkt dem Abgas ausgesetzt, dessen Sauerstoffpartialdruck starken Änderungen unterliegt. Bei magerem, also sauerstoffreichem Abgas weist auch der Festelektrolyt im Bereich der ersten Elektrode einen hohen Anteil an Sauerstoff auf. Da der Sauerstoff im Festelektrolyt in Form von Ionen vorliegt, bildet sich bei magerem Abgas im Bereich der ersten Elektrode eine große Ladungsmenge aus. Dementsprechend liegt bei fettem, sauerstoffarmem Abgas im Bereich der ersten Elektrode eine geringe Ladungsmenge vor. Die zweite Elektrode ist dagegen einem weitgehend konstanten Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt, da im Meßgasbereich ein Sauerstoffpartialdruck von λ=l eingestellt wird.
Es hat sich gezeigt, daß die sich bei magerem Abgas ausbildende Ladungsmenge im Bereich der ersten Elektrode bei einer Umkehr der Pumpspannung zu der λ=l-Welligkeit führt. Daher wird zur Verminderung der Ladungsmenge an der ersten Elektrode die Fläche der ersten Elektrode vermindert. Da die Ladungsmenge an der zweiten Elektrode geringeren Schwankungen unterliegt, kann die Fläche der zweiten Elektrode größer als die Fläche der ersten Elektrode sein, ohne daß dadurch die λ=l-Welligkeit verstärkt würde. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gasmeßfühlers möglich.
Vorteilhaft sind die erste und zweite Elektrode so gestaltet, daß neben einer Verminderung der λ=l-Welligkeit auch ein ausreichend niedriger Widerstand zwischen erster und zweiter Elektrode vorliegt. Bei einem niedrigen Widerstand reicht eine vergleichsweise niedrige Pumpspannung, um einen für die Regelung auf λ=l ausreichenden Pumpstrom hervorzurufen. Da eine größere Elektrodenfläche einen niedrigeren Widerstand bedeutet, wird die zweite Elektrode daher deutlich größer als die erste Elektrode ausgelegt. Beträgt die Fläche der ersten Elektrode das 0,06-fache bis 0,6-fache der Fläche der zweiten Elektrode, so wird bei ausreichend niedrigem Widerstand zwischen erster und zweiter Elektrode besonders wirkungsvoll die λ=l-Welligkeit vermindert. Die ringförmige erste Elektrode weist vorteilhaft einen Außenradius im Bereich von 1,1 bis 1,7 mm, vorzugsweise 1,4 mm, und einen Innenradius von 0,3 bis 0,9 mm, vorzugsweise 0,6 mm, auf. Der Außenradius der ringförmigen zweiten Elektrode liegt im Bereich von 1,7 bis 2,1 mm, insbesondere bei 1,9 mm, und der Innenradius im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm, vorzugsweise bei 1 , 0 mm.
In einer Abwandlung der Erfindung ist die erste und die zweite Elektrode elliptisch geformt und weist eine elliptische Aussparung auf, wobei das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse im Bereich von 2:1 bis 1,1:1 vorzugsweise bei 1,5:1 liegt. Bei mit einem Heizer versehenen Sensorelementen bildet sich eine Temperaturverteilung aus, bei der in den Großflächen des Sensorelements, beispielsweise auf der Außenfläche, auf der die erste Elektrode aufgebracht ist, Bereiche mit gleicher Temperatur elliptisch geformt sind. Daher wird durch eine elliptische Formung der Elektroden erreicht, daß die Temperaturunterschiede in verschiedenen Bereichen der Elektrodenfläche vermindert werden. 5
Vorteilhaft enthält die erste und die zweite Elektrode eine Aussparung, in der eine Gaszutrittsöffnung liegt, über die das Gas in den Meßgasbereich gelangen kann. Das Sensorelement weist weiterhin einen Referenzgasbereich auf,
.0 der eine Referenzluft mit einem ausreichend konstanten
Sauerstoffpartialdruck enthält. Im Referenzgasbereich ist eine dritte Elektrode angeordnet. Vorteilhaft ist der Referenzgasbereich in der Schichtebene des Meßgasbereichs vorgesehen.
.5
Unter der Elektrode ist bei der hier beschriebenen Erfindung derjenige Bereich der auf einem Festelektrolytkörper aufgebrachten Leiterbahn zu verstehen, der direkt mit dem Festelektrolytkörper in Kontakt steht und daher elektrisch
!0 mit dem Festelektrolytkörper verbunden ist. Dagegen wird derjenige Bereich der Leiterbahn, der vom
Festelektrolytkörper elektrisch isoliert ist, als Zuleitung der Elektrode bezeichnet. Die Leiterbahn wird also in den Bereichen, in denen sie direkt auf den Festelektrolytkörper
25 aufgebracht ist und in denen sie aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften einen Beitrag zum Meßsignal leistet, als Elektrode und in den Bereichen, in denen sie vom Festelektrolytkörper elektrisch isoliert ist und nicht oder nur in geringem Umfang zum Meßsignal beiträgt, als
SO Zuleitung zur Elektrode bezeichnet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der kürzeste Abstand zwischen der ersten Elektrode und einer im Referenzgasbereich angeordneten dritten Elektrode deutlich !5 größer als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, der der Schichtdicke des ersten Festelektrolytkörpers entspricht. Durch eine Vergrößerung des Abstandes steigt auch der Widerstand zwischen erster und dritter Elektrode, wodurch die Ankopplung der ersten Elektrode an die dritte Elektrode und damit die λ=l- Welligkeit weiter verringert wird. Hierzu ist beispielsweise die Zuleitung der ersten Elektrode zumindest bereichsweise in dem Abschnitt angeordnet, der durch die senkrechte Projektion der zweiten Elektrode auf die Großfläche der ersten Elektrode gebildet wird. Das heißt, die Leiterbahn der ersten Elektrode weist einen Teilbereich auf, der im Bereich der Projektion der zweiten Elektrode auf der Großfläche der ersten Elektrode liegt und in dem die Leiterbahn der ersten Elektrode durch eine Isolation gegen den ersten Festelektrolytkörper elektrisch isoliert ist. Bei einem Sensorelement, bei dem der Meßgasbereich und der Referenzgasbereich in derselben Schichtebene angeordnet sind, ist der isolierte Teilbereich vorteilhafterweise auf der beziehungsweise angrenzend an die dem Referenzgasbereich zugewandten Seite der ersten Elektrode vorgesehen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt entlang der
Längsachse eines Sensorelements eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers, Figur 2 einen Schnitt senkrecht zur Längsachse des Sensorelements eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers, Figur 3 und Figur 4 eine Aufsicht auf das Sensorelement des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, Figur 5 einen Schnitt entlang der Längsachse des Sensorelements eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers gemäß der Linie V - V in Figur 6 und Figur 6 eine Aufsicht auf das Sensorelement des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
5 Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sensorelement 10 eines als Breitband-Lambdasonde bezeichneten Gasmeßfühlers. Das Sensorelement 10 ist als
0 Schichtsystem aufgebaut und enthält einen ersten, einen zweiten und einen dritten Festelektrolytkörper 21, 22, 23. In den ersten Festelektrolytkörper 21 ist ein Gaszutrittsöffnung 36 eingebracht. Zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytkörper ist ein Meßgasbereich 31,
5 ein Referenzgasbereich 32, ein Trennkörper 33, eine
Diffusionsbarriere 34 und ein Dichtrahmen 35 angeordnet. In der Mitte des flachen, hohlzylinderförmigen Meßgasbereichs 31 ist die ebenfalls hohlzylinderförmige Diffusionsbarriere 34 angeordnet, in deren Mitte das Gaszutrittsöffnung 36
!0 mündet. Das Meßgas kann durch das Gaszutrittsöffnung 36 über die Diffusionsbarriere 34 in den Meßgasbereich 31 gelangen. Der Trennkörper 33 bildet eine gasdichte Barriere zwischen dem Meßgasbereich 31 und dem Referenzgasbereich 32. Der kanalförmige Referenzgasbereich 32 enthält ein poröses
15 Material und steht auf der dem Meßbereich abgewandten Seite des Sensorelements 10 mit einer Referenzatmosphäre in Verbindung. Meßgasbereich 31 und Referenzgasbereich 32 sind seitlich von einem Dichtrahmen 35 umgeben.
10 Auf einer Außenfläche des ersten Festelektrolytkörpers 21 ist eine erste Elektrode 41 (Außenpumpelektrode) angeordnet, die von einer porösen Schutzschicht 45 überdeckt ist. Auf der der Außenfläche gegenüberliegenden Großfläche des ersten Festelektrolytkörpers 21 ist im Meßgasbereich 31 eine zweite i5 Elektrode 42 (Meßelektrode, Innenpumpelektrode) vorgesehen. Im Referenzgasbereich 32 ist in der Schichtebene der zweiten Elektrode 42 eine dritte Elektrode 43 (Referenzelektrode) vorgesehen. Die erste Elektrode 41 bildet zusammen mit der zweiten Elektrode 42 eine Pumpzelle, die durch eine äußere Beschaltung Sauerstoff in den oder aus dem Meßgasbereich 31 pumpt. Die durch die äußere Beschaltung an der Pumpzelle anliegende Pumpspannung wird so geregelt, daß im Meßgasbereich 31 ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck vorliegt. Vorzugsweise wird ein Sauerstoffpartialdruck von λ=l eingeregelt, das heißt, der Sauerstoffpartialdruck im Meßgasbereich 31 entspricht dem stöchiometrisehen Luft/Kraftstoff-Verhältnis .
Der im Meßgasbereich 31 vorliegende Sauerstoffpartialdruck wird durch eine Nernstzelle bestimmt, die durch die zweite Elektrode 42 und die dritte Elektrode 43 gebildet wird. Mit der Nernstzelle wird eine durch unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke im Meßgasbereich 31 und im Referenzgasbereich 32 hervorgerufene NernstSpannung gemessen, die - wie oben beschrieben - zur Regelung der Pumpspannung verwendet wird. Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die zur Nernstzelle gehörende Elektrode im Meßgasbereich 31 und/oder die zur Nernstzelle gehörende Elektrode im Referenzgasbereich 32 auf dem zweiten Festelektrolytkörper 22 aufgebracht sein. Weiterhin kann zusätzlich zu der auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 aufgebrachten zweiten und dritten Elektrode 42, 43 im Meßgasbereich 31 und/oder im Referenzgasbereich 32 auf dem zweiten Festelektrolytkörper 22 mindestens eine weitere zur Nernstzelle gehörende Elektrode angeordnet sein.
Zwischen dem zweiten und dem dritten Festelektrolytkörper 22, 23 ist ein Heizer 37 angeordnet, der durch eine Heizerisolation 38 von den umgebenden Festelektrolytkörpern 22, 23 elektrisch isoliert ist. In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß Meßgasbereich und Referenzgasbereich nicht in derselben Schichtebene, sondern in verschiedenen Schichtebenen des Sensorelements 110 angeordnet sind. Das Sensorelement 110 weist einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Festelektrolytkörper 121, 122, 123, 124 auf. Zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytkörper 121, 122 ist ein Meßgasbereich 131, eine Diffusionsbarriere 134 und ein Dichtrahmen 135 angeordnet. Das Abgas gelangt über eine in den ersten Festelektrolytkörper 121 eingebrachte Gaszutrittsöffnung 136 und über die Diffusionsbarriere 134 in den Meßgasbereich 131. In den dritten Festelektrolytkörper 123 ist ein Referenzgasbereich 132 eingebracht. Zwischen dem dritten und dem vierten Festelektrolytkörper 123, 124 ist ein Heizer 137 vorgesehen, der in einer Heizerisolation 138 eingebettet ist .
Auf der Außenfläche des ersten Festelektrolytkörpers 121 ist eine erste Elektrode 141 aufgebracht, die von einer porösen Schutzschicht 145 überdeckt ist. Im Meßgasbereich 131 ist auf dem ersten Festelektrolytkörper 121 eine zweite Elektrode 142 und auf dem zweiten Festelektrolytkörper eine dritte Elektrode 143 angeordnet. Im Referenzgasbereich 132 ist auf dem zweiten Festelektrolytkörper 122 eine vierte Elektrode 144 vorgesehen. Die erste und zweite Elektrode 141, 142 bilden mit dem ersten Festelektrolytkörper 121 eine Pumpzelle, die dritte und vierte Elektrode 143, 144 bilden mit dem zweiten Festelektrolytkörper 122 eine Nernstzelle. Die Funktionsweise dieser elektrochemischen Zellen entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels .
Figur 3 zeigt die Anordnung der ersten Elektrode 41, 141 und der zweiten Elektrode 42, 142 auf dem ersten Festelektrolytkörper 21, 121 in einer ersten Ausführungsform des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung wurde die poröse Schutzschicht 45, 145 weggelassen. Die erste Elektrode 41, 141 ist ringförmig um die Gaszutrittsöffnung 36, 136 angeordnet. Der Innenradius der ersten Elektrode 41, 141 beträgt 0,6 mm, der Außenradius beträgt 1,4 mm. An die erste Elektrode 41, 141 schließt sich eine Zuleitung 41a, 141a an, die zu einer nicht dargestellten Kontaktfläche auf der den Elektroden abgewandten Seite des Sensorelements 10, 110 führt. Über die Kontaktfläche ist die erste Elektrode
41, 141 mit einer außerhalb des Gasmeßfühlers angeordneten Auswerteschaltung verbunden. Die Zuleitung 41a, 141a zur ersten Elektrode 41, 141 ist durch eine Isolationsschicht 47 147 vom ersten Festelektrolytkörper 21, 121 elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht 47, 147 folgt im Übergangsbereich zwischen erster Elektrode 41, 141 und Zuleitung 41a, 141a zur ersten Elektrode 41, 141 der kreisförmigen Außenkontur der ersten Elektrode 41, 141.
Die zweite Elektrode 42, 142 (in Figur 3 gestrichelt dargestellt) ist ebenfalls ringförmig um die Gaszutrittsöffnung 36, 136 angeordnet. Ihr Innendurchmesser beträgt 10 mm, ihr Außendurchmesser 20 mm. Damit beträgt die Fläche der ersten Elektrode 41, 141 ungefähr die Hälfte der Fläche der zweiten Elektrode 42, 142. Die zweite Elektrode
42, 142 sowie die weiteren Elektroden sind wie die erste Elektrode durch eine Zuleitung (nicht dargestellt) elektrisch kontaktiert.
In Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung wurde die poröse Schutzschicht 45, 145 sowie die Isolationsschicht 47, 147 weggelassen. In der zweiten Ausführungsform ist die erste Elektrode 41, 141 elliptisch geformt und weist eine elliptische Aussparung auf, in der die Gaszutrittsöffnung 36, 136 angeordnet ist. Das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse sowohl der äußeren also auch der inneren Begrenzung der ersten Elektrode 41, 141 beträgt 1,5:1. Die zweite Elektrode (nicht dargestellt) ist wie die erste Elektrode 41, 141 elliptisch geformt, wobei die Fläche der zweiten Elektrode doppelt so groß ist wie die Fläche der ersten Elektrode 41, 141. Die Hauptachsen der beiden Ellipsen der inneren und der äußeren Begrenzung der ersten Elektrode 41, 141 sind parallel zur Längsachse des Sensorelements 10, 110.
Figur 5 und Figur 6 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel in der Gestaltung der ersten Elektrode 241, der Zuleitung 241a zur ersten Elektrode 241, der Isolationsschicht 247 und der porösen Schutzschicht 245 unterscheidet. Die weiteren Elemente des Sensorelements des dritten Ausführungsbeispiels wurden mit den gleichen Bezugszeichen wie bei dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
>0
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind die erste Leiterbahn (also die erste Elektrode 241 und die Zuleitung 241a zur ersten Elektrode 241) und die zweite Leiterbahn (also die zweite Elektrode 42 und die nicht dargestellte
!5 Zuleitung zur zweiten Elektrode 42) zumindest im Bereich des Meßgasbereichs 31 des Sensorelements 10 gleich geformt. Damit entspricht die Projektion des ringförmig gestalteten Abschnitts der zweiten Leiterbahn, also im wesentlichen der Elektrode 42, auf die Außenfläche des ersten
SO Festelektrolytkörpers 21 gerade der Form der ersten
Leiterbahn in diesem Bereich. Die Zuleitung 241a der ersten Elektrode 241 ist durch die Isolationsschicht 247 vom ersten Festelektrolytkörper 21 elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht 247 erstreckt sich auch in einen
S5 isolierten Teilbereich 250 der Projektion der zweiten Elektrode 242 auf die Außenfläche des ersten Festelektrolytkörpers 21. Der isolierte Teilbereich 250 grenzt an die dem Referenzgasbereich 32 und der dritten Elektrode 43 zugewandte Seite der ersten Elektrode 241. Die Isolationsschicht 247 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid.
Es sind Ausführungsformen des dritten Ausführungsbeispiels denkbar, bei denen die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn auch im Meßbereich des Sensorelements 10 nicht formgleich sind. Insbesondere kann die erste Elektrode 241 kleiner als die zweite Elektrode 242 ausgestaltet sein, also beispielsweise einen kleineren Außenradius oder einen kleineren Innen- und Außenradius oder einen größeren Innenradius aufweisen als die zweite Elektrode 242.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und läßt sich auch auf Sensorelemente mit anderem Aufbau übertragen, bei denen Funktionsstörungen aufgrund einer hohen Ladungsmenge im Bereich einer auf einer Außenfläche des Sensorelements aufgebrachten Elektrode auftreten.

Claims

Ansprüche
1. Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis mindestens einer physikalischen Größe eines Gases, insbesondere von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement
(10, 110), das einen ersten Festelektrolytkörper (21, 121) aufweist, auf dem eine erste Elektrode (41, 141, 241) und eine zweite Elektrode (42, 142) aufgebracht sind, wobei die erste und die zweite Elektrode (41, 141, 241, 42, 142) durch den ersten Festelektrolytkörper (21, 121) elektrisch verbunden sind, und wobei die erste Elektrode (41, 141, 241) in Kontakt zu dem Gas steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der ersten Elektrode (41, 141, 241) kleiner als die Fläche der zweiten Elektrode (42, 142) ist.
2. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der ersten Elektrode (41, 141, 241) höchstens 60 Prozent, insbesondere zwischen 5 und 30 Prozent der Fläche der zweiten Elektrode (42, 142) beträgt.
3. Gasmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (41, 141, 241) auf einer dem Gas zugewandten Fläche des Sensorelements (10, 110) angeordnet ist, daß die zweite Elektrode (42, 142) in einem in das Sensorelement (10, 110) eingebrachten Meßgasbereich (31, 131) angeordnet ist, und daß der erste Festelektrolytkörper (21, 121) eine Gaszutrittsöffnung (36, 136) aufweist, über die das Gas in den Meßgasbereich (31, 131) gelangen kann.
5 4. Gasmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Elektrode (41, 141, 241, 42, 142) eine Aussparung aufweist, in der die Gaszutrittsöffnung (36, 136) angeordnet ist.
.0 5. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest bereichsweise ringförmige erste Elektrode (41, 141) einen Außenradius im Bereich von 1,0 bis 1,7 mm, insbesondere 1,2 mm, und einen Innenradius im Bereich von 0,3 bis 1,3 mm,
L5 insbesondere 1,0 mm, aufweist, und daß die ringförmige zweite Elektrode (42, 142) einen Außenradius im Bereich von 1,7 bis 2,1 mm, insbesondere 1,9 mm, und einen Innenradius im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm, insbesondere 1,0 mm, aufweist. 0
6. Gasmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Elektrode (41, 141, 241, 42, 142) elliptisch mit einer elliptischen Aussparung ausgeführt ist, wobei das
!5 Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse der Ellipsen im
Bereich von 2:1 bis 1,1:1, insbesondere bei 1,5:1, liegt, und wobei die Hauptachse eine Parallele zur Längsachse des Sensorelements (10, 110) ist.
SO 7. Gasmeßfühler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (41, 141, 241) sich bis zum Rand der Gaszutrittsöffnung (36, 136) erstreckt .
S5 8. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgasbereich (31) und ein Referenzgasbereich (32) und/oder eine im Meßgasbereich (31) angeordnete Elektrode, insbesondere die zweite Elektrode (42) , und eine im Referenzgasbereich (32) angeordnete Elektrode (43) in derselben Schichtebene des Sensorelements (10) liegen.
9. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle eine Pumpzelle ist und/oder daß das Sensorelement (10, 100) als weitere elektrochemische Zelle eine Nernstzelle enthält, die mindestens eine in dem Meßgasbereich angeordnete Elektrode (42, 143), insbesondere die zweite Elektrode (42) , und eine in einem Referenzgasbereich angeordnete weitere Elektrode (43, 144) aufweist, wobei die zweite und die weitere Elektrode (42, 143; 43, 144) durch einen Festelektrolyten (21, 122) elektrisch verbunden sind.
10. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der senkrechten Projektion der zweiten Elektrode (42) auf die Schichtebene der ersten Elektrode (241) ein isolierter Teilbereich (250) vorgesehen ist, in dem eine die erste Elektrode (241) und eine Zuleitung (241a) zur ersten Elektrode (241) aufweisende Leiterbahn durch eine Isolationsschicht (247) vom ersten Festelektrolytkörper (21) elektrisch isoliert ist.
11. Gasmeßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (42) in einem in das Sensorelement (10) eingebrachten Meßgasbereich (31) angeordnet ist, daß in der Schichtebene des Meßgasbereichs (31) ein Referenzgasbereich (32) vorgesehen ist, und daß der isolierte Teilbereich (250) angrenzend an die dem Referenzgasbereich (32) zugewandte Seite der ersten Elektrode (241) vorgesehen ist.
2. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Referenzgasbereich (32) eine dritte Elektrode (43) angeordnet ist, und daß der kürzeste Abstand zwischen der ersten Elektrode (41, 241) und der dritten Elektrode (43) mindestens um 50 Prozent größer ist als die Schichtdicke des ersten Festelektrolytkörpers (21) .
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