WO2004023129A1 - Gasmessfühler - Google Patents

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WO2004023129A1
WO2004023129A1 PCT/DE2003/002058 DE0302058W WO2004023129A1 WO 2004023129 A1 WO2004023129 A1 WO 2004023129A1 DE 0302058 W DE0302058 W DE 0302058W WO 2004023129 A1 WO2004023129 A1 WO 2004023129A1
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WO
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gas
housing
sensor element
sensor
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/002058
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English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Ruth
Andreas Pesch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2004023129A1 publication Critical patent/WO2004023129A1/de

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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
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Definitions

  • the invention is based on a gas sensor according to the preamble of the independent claims.
  • the gas sensor has a tubular metallic housing in which an elongated sensor element with a rectangular cross section, which is manufactured using planar technology, is arranged.
  • an elongated sensor element with a rectangular cross section, which is manufactured using planar technology, is arranged.
  • non-sintered ceramic foils green foils
  • electrical elements for example electrodes and heaters
  • other functional layers for example insulation layers or porous, gas-permeable layers
  • the sensor element is arranged in the housing of the gas sensor such that the large areas of the ceramic layer system of the sensor element are arranged parallel to the longitudinal axis of the housing.
  • the sensor element has an end on the measuring gas side facing the measuring gas to be determined and an end on the connection side facing away from the measuring gas.
  • contact surfaces are provided on the outer surface of the sensor element, which contact the electrical elements at the measurement gas end of the sensor element
  • Sensor element are electrically connected by leads arranged within the layer composite. These contact surfaces are electrically contacted by means of a clamping contact with conductor elements, by means of which the sensor element is electrically connected to evaluation electronics located outside the gas measuring sensor.
  • the contact areas are provided on a large area of the sensor element, and the
  • Clamping force by which the conductor elements are pressed onto the contact surfaces acts perpendicular to the longitudinal axis of the housing.
  • the sensor element is surrounded in the middle along its longitudinal extent by a sealing element which has two steatite layers and one between the steatite layers
  • the sealing element is arranged between two ceramic molded parts which press the sealing element together and so that the sealing element lies against the sensor element and housing in a gas-tight manner.
  • the sealing surface with which the sealing element rests on the sensor element and the housing lies parallel to the longitudinal axis of the housing.
  • the sensor element has a large space requirement due to the sealing of the sensor element along its longitudinal extent or through the contacting of the sensor element by means of contact surfaces applied laterally to the sensor element.
  • a clamping or spring force can be applied by different devices, which is complex and expensive in terms of production technology.
  • the sealing of a body with a rectangular cross section is complex.
  • the gas sensor according to the invention with the characteristics of the independent claims has the advantage that a space-saving probe concept can be implemented in which the force required for sealing and contacting the sensor element acts perpendicular to the longitudinal axis of the housing.
  • the sensor element has a sealing surface and / or a contact surface that is aligned perpendicular to the longitudinal axis of the housing.
  • the sealing surface is conical and has an angle of 45 to 90 degrees, in particular 60 to 85 degrees, to the longitudinal axis of the housing.
  • the space-saving design results in a significant saving of platinum and zirconium oxide compared to conventional sensor concepts.
  • a small-sized probe can be heated to the desired operating temperature much faster become.
  • the gas sensor according to the invention is particularly stable against vibration load.
  • the thermal expansion of the elements forming the gas sensor can also be used to force the force required for sealing and contacting the sensor element parallel to the longitudinal axis of the sensor element by the gas sensor during operation existing high temperatures to increase.
  • a means for exerting a force parallel to the longitudinal axis of the housing is sufficient to seal and contact the sensor element.
  • This means is advantageously a spring element which is arranged on the side of the sensor element facing away from the sealing surface of the sensor element. The spring element presses the conductor element onto the
  • a contacting disk made of an electrically insulating material is advantageously provided between the spring element and the sensor element.
  • Contacting disk has on its side facing the sensor element a recess for receiving the conductor element, a portion of the conductor element protruding from the recess and resting on the contact surface.
  • the conductor element is fixed by the contacting disk and insulated from the housing, the spring element and further conductor elements. If the conductor element lies with a partial area in the recess of the contacting disk, this prevents the conductor element from flowing away due to the contact pressure and the high temperatures, that is to say losing its original cross-sectional shape.
  • the contacting disk Longitudinal axis of the housing on a bushing for receiving the conductor element. are If several conductor elements are provided, the contacting disk has a bushing and / or a recess for each conductor element.
  • a spiral spring or a plate spring is advantageously used as the spring element, which is inexpensive and has a high heat resistance.
  • Disc spring can exert a particularly large force on the sensor element.
  • the sealing surface of the sensor element rests on a sealing ring which is molded onto the housing or adjoins an abutment molded onto the housing.
  • the sensor element is surrounded on its sides facing the housing by a sleeve-shaped insulating body, for example made of aluminum oxide.
  • a sleeve-shaped insulating body for example made of aluminum oxide.
  • the sealing surface is designed as a ceramic-containing insulation layer.
  • a particularly compact design results if a metal sheathed line is directly connected to the housing, in which the conductor elements are guided.
  • Metal jacket line is fixed to the housing, for example by laser welding, or the element comprising the housing and the metal jacket line is made in one piece.
  • An embodiment in which the outer diameter of the housing corresponds to the outer diameter of the metal sheathed line is particularly favorable in terms of production technology, so that the housing is formed by the end section of the metal sheathed line.
  • a compact design is advantageously achieved by a cylindrical sensor element which is designed as a ceramic layer composite and whose layer planes are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the housing.
  • the rotationally symmetrical shape of the sensor element simplifies manufacture and installation in the housing.
  • FIG. 1 shows, as a first exemplary embodiment of the invention, a gas sensor for determining the oxygen concentration of a measuring gas in a sectional view
  • FIG. 2 shows, as a second exemplary embodiment of the invention, a temperature sensor in a sectional view.
  • FIG. 1 shows, as a first exemplary embodiment of the invention, a gas sensor 10 with a cylindrical sensor element 20 arranged in a tubular housing 21.
  • the sensor element 20 is exposed on its one measuring gas side end face 28 to the measuring gas to be determined, for example an exhaust gas from an internal combustion engine.
  • connection side On the opposite, connection side
  • the end face 29 of the sensor element 20 is electrically connected to the sensor element 20.
  • the sensor element 20 is manufactured using planar technology and has a first, a second and a third solid electrolyte layer 31, 32, 33. On the outer surface of the first one
  • a first electrode 34 is provided on the solid electrolyte layer 31 exposed to the measuring gas and thus on the end face 28 of the sensor element 20 on the measuring gas side.
  • a reference gas space 38 is introduced into the second solid electrolyte layer 32 adjoining the first solid electrolyte layer 31.
  • a second electrode 35 is provided on the first solid electrolyte layer 31.
  • Electrode 34, 35 together with the first solid electrolyte layer 31 arranged between the two electrodes 34, 35 form an electrochemical Nernst cell.
  • a gas access opening 39 is provided, through which the reference gas space 38 is connected to an area containing the reference gas outside the sensor element 20. Furthermore, a first and a second contact surface 36, 37 are applied on the connection-side end face 29 of the sensor element 20, that is to say on the outer surface of the third solid electrolyte layer 33, which are electrically connected to the first and second electrodes 34, 35 by vias (not shown).
  • An annular sealing surface 43 of the sensor element 20 is provided on the measuring gas side end face 28 of the sensor element 20 near the outer edge of the measuring gas side end surface 28, on which a corresponding sealing surface 42 of a sealing ring 41 rests.
  • the sealing surface 43 of the sensor element 20 is formed by the corresponding section of the first solid electrolyte layer 31.
  • an annular insulation layer is applied to the first solid electrolyte layer 31, which is made of ceramic, forms the sealing surface 43 of the sensor element 20 and electrically insulates the sealing ring 41 and thus the housing 21 from the first solid electrolyte layer 31.
  • the solid electrolyte layers 31, 32, 33 of the sensor element 20 consist of zirconium oxide stabilized with yttrium.
  • the porous electrodes 34, 35 and the contact surfaces 36, 37 consist of a cermet which contains platinum and zirconium oxide.
  • the cylindrical sensor element 20 is fixed in the tubular housing 21 such that the longitudinal axes of the sensor element 20 and the housing 21 coincide.
  • the sensor element 20 is surrounded on its outer surface by a sleeve-shaped insulating body 23, by means of which the sensor element 20 is insulated from the metallic housing 21.
  • the insulating body 23 consists predominantly of aluminum oxide.
  • a protective tube 22 is fixed by laser welding.
  • the protective tube 22 On the side facing the sensor element 20, the protective tube 22 has an inwardly pointing section 44, which serves as an abutment for the sealing ring 41.
  • the sensor element 20 is pressed with its sealing surface 43 by a spring element 26 onto the sealing ring 41 and thus sealed in the housing 21.
  • the spring element 26 is arranged in the housing 21 between an abutment formed on the housing 21 and a contacting disk 24.
  • the contacting disk 24 has two bushings 52 through which two conductor elements 25 are guided.
  • Conductor elements 25 have between the contacting disk 24 and the sensor element 20 a section parallel to the connection-side end face 29. This section is pressed by the spring element 26 via the contacting disk 24 onto the respective contact surfaces 36, 37. In order to prevent this section of the conductor elements 25 from flowing away, there are on the side facing the sensor element 20 of the contacting disk 24, a recess 51 is provided for each conductor element 25, from which the conductor element 25 projects with a partial section.
  • the conductor elements 25 are electrically insulated from the metal jacket by insulation.
  • the metal sheathed line is fixed to the housing 21 by a welded connection or is integrally connected to the housing 21.
  • the sensor element has one
  • Heater by which the sensor element is heated to a predetermined operating temperature.
  • the heater is arranged between the third solid electrolyte layer and a fourth solid electrolyte layer and is electrically insulated from the solid electrolyte layers by insulation.
  • the heater is connected to further contact areas on the connection-side end face of the sensor element by means of two plated-through holes.
  • FIG. 2 shows a gas sensor for determining the temperature of a measuring gas.
  • the second exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 in the configuration of the sensor element 120.
  • Housing 21 and sealing and contacting correspond to the first exemplary embodiment.
  • Corresponding elements in FIG. 2 were therefore given the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the sensor element 120 has a first ceramic film 161 and a second ceramic film
  • the first insulation layer 163 completely surrounds the resistance layer 165, so that the resistance layer 165 is electrically insulated from the first and second ceramic films 161, 162 by the first insulation layer 163.
  • a second insulation layer 164 is provided on the first ceramic film 161, on which the first and the second contact surfaces 36, 37 are provided.
  • the resistance layer 165 is electrically connected to the two contact surfaces 36, 37 by vias, not shown.
  • the temperature-dependent resistance of the resistance layer 165 becomes the temperature of the sample gas is determined by means of evaluation electronics (not shown) arranged outside the gas sensor.
  • Trim hole closure 166 is closed.
  • the first and second ceramic films 161, 162 consist predominantly of zirconium oxide, the first and second insulation layers 163, 164 of aluminum oxide.
  • the resistance layer 165 consists predominantly of platinum.
  • the trim hole closure 166 consists of a
  • the trim hole closure 166 can also have a glass ceramic or a ceramic.
  • the installation including the holder, the seal and the contacting of the sensor element 120 for determining the temperature of the measurement gas corresponds to this
  • An alternative, not shown embodiment of the invention differs from the first and the second exemplary embodiment only in that the sealing surface of the sensor element is conical, the axis of symmetry of the conical
  • Sealing surface is parallel to the axis of symmetry of the tubular housing and the conical sealing surface has an angle to the longitudinal axis of the housing of 75 degrees.
  • the sealing ring lies flat on the sealing surface and is therefore also conically shaped.
  • the present invention is not limited to the sensor elements described in the first and second exemplary embodiments, but rather can be generally transferred to sensor elements produced in planar technology. These sensor elements can also be suitable for the detection of oxygen or another gas component such as nitrogen oxides, hydrocarbons, hydrogen or carbon dioxide and can have more than one electrochemical cell, for example a Nemst cell and a pump cell (broadband lambda probe).

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Abstract

Es wird ein Gasmessfühler (10) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Temperatur des Messgases oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, vorgeschlagen, der ein in einem Gehäuse (21) angeordnetes, in Planartechnik aufgebautes Sensorelement (20, 120) enthält. Das Sensorelement (20, 120) weist zur Abdichtung im Gehäuse (21) eine Dichtfläche (43) auf, wobei die Längsachse des Gehäuses (21) senkrecht zur Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) steht. Weiterhin weist das Sensorelement (20, 120) mindestens eine Kontaktfläche (36, 37) auf, die mit einem Leiterelement (25) elektrisch verbunden ist, wobei die Kontaktfläche (36, 37) des Sensorelements (20, 120) senkrecht zur Längsachse des Gehäuses (21) steht.

Description

Gasmessfühler
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Ein derartiger Gasmessfühler ist aus der DE 101 51 291 A1 bekannt. Der Gasmessfühler weist ein rohrförmiges metallisches Gehäuse auf, in dem ein in Planartechnik hergestelltes, längliches Sensorelement mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ist. Zur Herstellung des Sensorelements werden ungesinterte keramische Folien (Grünfolien) mit elektrischen Elementen (zum Beispiel Elektroden und Heizer) und mit anderen Funktionsschichten (zum Beispiel Isolationsschichten oder porösen, gasdurchlässigen Schichten) bedruckt, zusammenlaminiert und gesintert. Das Sensorelement ist so im Gehäuse des Gasmessfuhlers angeordnet, dass die Großflächen des keramischen Schichtsystems des Sensorelements parallel zur Längsachse des Gehäuses angeordnet sind. Das Sensorelement weist ein dem zu bestimmenden Messgas zugewandtes, messgasseitiges Ende und ein vom Messgas abgewandtes, anschlussseitiges Ende auf.
Am anschlussseitigen Ende sind auf der Außenfläche des Sensorelements Kontaktflächen vorgesehen, die mit den elektrischen Elementen am messgasseitigen Ende des
Sensorelements durch innerhalb des Schichtverbunds angeordnete Zuleitungen elektrisch verbunden sind. Diese Kontaktflächen sind mittels einer Klemmkontaktierung mit Leiterelementen elektrische kontaktiert, durch die das Sensorelement mit einer außerhalb des Gasmessfuhlers befindlichen Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist. Die Kontaktflächen sind auf einer Großfläche des Sensorelements vorgesehen, und die
Klemmkraft, durch die die Leiterelemente auf die Kontaktflächen gedrückt werden, wirkt senkrecht zur Längsachse des Gehäuses.
Zur Abdichtung des messgasseitigen Abschnitts vom anschlussseitigen Abschnitt des Gehäuses ist das Sensorelement entlang seiner Längserstreckung mittig von einem Dichtelement umgeben, das zwei Steatitschichten und zwischen den Steatitschichten eine
Bornitridschicht enthält. Das Dichtelement ist zwischen zwei keramischen Formteilen angeordnet, die das Dichtelement zusammenpressen und so verfoπnen, dass das Dichtelement sich gasdicht an Sensorelement und Gehäuse anlegt. Die Dichtfläche, mit der das Dichtelement an dem Sensorelement und dem Gehäuse anliegt, liegt parallel zur Längsachse des Gehäuses.
Bei einem derartigen Gasmessfühler ist nachteilig, dass durch die Abdichtung des Sensorelements entlang seiner Längserstreckung beziehungsweise durch die Kontaktierung des Sensorelements mittels seitlich am Sensorelement aufgebrachter Kontaktflächen das Sensorelement einen großen Platzbedarf hat. Zudem muss zur
Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements an zwei Stellen, nämlich mittig beim Dichtelement und bei den anschlussseitigen Kontaktflächen, durch unterschiedliche Vorrichtungen eine Klemm- beziehungsweise Federkraft aufgebracht werden, was fertigungstechnisch aufwendig und teuer ist. Zudem ist die Abdichtung eines im Querschnitt rechteckigen Körpers aufwendig.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass ein platzsparendes Sondenkonzept realisiert werden kann, bei dem die zur Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements erforderliche Kraft senkrecht zur Längsachse des Gehäuses wirkt. Hierzu weist das Sensorelement eine Dichtfläche und/oder eine Kontaktfläche auf, die senkrecht zur Längsachse des Gehäuses ausgerichtet ist. Alternativ ist bei einem Sensorelement, dessen Schichtebenen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet sind, die Dichtfläche konisch geformt und weist zur Längsachse des Gehäuses einen Winkel von 45 bis 90 Grad, insbesondere von 60 bis 85 Grad, auf.
Durch die platzsparende Bauweise ergibt sich gegenüber den herkömmlichen Sensorkonzepten eine deutliche Einsparung von Platin und Zirkonoxid. Zudem kann eine kleinbauende Sonde deutlich schneller auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Weiterhin ist der erfϊndungsgemäße Gasmessfiihler besonders stabil gegenüber Schwingbelastung.
Durch die Anordnung der Dichtfläche und/oder der Kontaktfläche senkrecht zur Längsachse des Gehäuses kann zudem die thermische Ausdehnung der den Gasmessfühler bildenden Elemente ausgenutzt werden, um die zur Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements notwendige Kraft parallel zur Längsachse des Sensorelements durch die im Betrieb des Gasmessfuhlers vorliegenden hohen Temperaturen noch zu erhöhen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gasmessfuhlers möglich.
Ist sowohl die Dichtfläche als auch die Kontaktfläche des Sensorelements senkrecht zur
Längsachse des Gehäuses angeordnet, oder ist die Dichtfläche konisch ausgestaltet, so genügt ein Mittel zur Ausübung einer Kraft parallel zur Längsachse des Gehäuses, um das Sensorelement abzudichten und zu kontaktieren. Dieses Mittel ist vorteilhaft ein Federelement, das auf der der Dichtfläche des Sensorelements abgewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist. Das Federelement drückt das Leiterelement auf die
Kontaktfläche und übt eine Kraft auf das Sensorelement aus, durch die die Dichtfläche des Sensorelements auf die Dichtfläche des Dichtkörpers gedrückt wird.
Vorteilhaft ist zwischen dem Federelement und dem Sensorelement eine Kontaktierungsscheibe aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen. Die
Kontaktierungsscheibe weist auf ihrer dem Sensorelement zugewandten Seite eine Aussparung zur Aufnahme des Leiterelements auf, wobei ein Teilbereich des Leiterelements aus der Aussparung herausragt und auf der Kontaktfläche aufliegt. Durch die Kontaktierungsscheibe wird das Leiterelement fixiert und gegenüber dem Gehäuse, dem Federelement und weiteren Leiterelementen isoliert. Liegt das Leiterelement mit einem Teilbereich in der Aussparung der Kontaktierungsscheibe, so wird verhindert, dass das Leiterelement aufgrund des Anpressdrucks und der hohen Temperaturen verfließt, also seine ursprüngliche Querschnittsform verliert.
Vorteilhaft weist die Kontaktierungsscheibe zur Führung und Fixierung in Richtung der
Längsachse des Gehäuses eine Durchführung zur Aufnahme des Leiterelements auf. Sind mehrere Leiterelemente vorgesehen, so weist die Kontaktierungsscheibe für jedes Leiterelement eine Durchführung und/oder eine Aussparung auf.
Vorteilhaft wird als Federelement eine Spiralfeder oder eine Tellerfeder verwendet, die preisgünstig ist und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweist. Bei Verwendung einer
Tellerfeder lässt sich eine besonders große Kraft auf das Sensorelement ausüben.
Für eine besonders kompakte Bauweise des Gasmessfuhlers liegt die Dichtfläche des Sensorelements auf einem Dichtring auf, der am Gehäuse angeformt ist oder an ein an das Gehäuse angeformte Widerlager angrenzt.
Zur elektrischen Isolation des Sensorelements gegen das Gehäuse ist das Sensorelement an seinen dem Gehäuse zugewandten Seiten von einem hülsenformigen Isolierkörper, beispielsweise aus Aluminiumoxid, umgeben. Um das Sensorelement auch gegenüber dem Dichtring und damit dem Gehäuse zu isolieren, ist bei einer alternativen
Ausgestaltung der Erfindung die Dichtfläche als eine Keramik enthaltende Isolationsschicht ausgeführt.
Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn sich direkt an das Gehäuse eine Metallmantelleitung anschließt, in der die Leiterelemente gefuhrt sind. Die
Metallmantelleitung ist an dem Gehäuse beispielsweise durch Laserschweißen festgelegt, oder das das Gehäuse und die Metallmantelleitung umfassende Element ist einstückig ausgeführt. Fertigungstechnisch besonders günstig ist eine Ausführung, bei der der Außendurchmesser des Gehäuses dem Außendurchmesser der Metallmantelleitung entspricht, so dass das Gehäuse durch den Endabschnitt der Metallmantelleitung gebildet wird.
Weiterhin wird eine kompakte Bauweise vorteilhaft durch ein zylinderförmiges Sensorelement erreicht, das als keramischer Schichtverbund ausgebildet ist und dessen Schichtebenen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet sind. Die rotationssymmetrische Form des Sensorelements vereinfacht die Herstellung und den Einbau in das Gehäuse.
Zeichnung Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Gasmessfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Messgases in Schnittdarstellung, Figur 2 zeigt als zweites Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung einen Temperaturmessfühler in Schnittdarstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt als erstes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung einen Gasmessfühler 10 mit einem in einem rohrformigen Gehäuse 21 angeordneten zylinderförmigen Sensorelement 20. Das Sensorelement 20 ist auf seiner einen messgasseitigen Stirnfläche 28 dem zu bestimmenden Messgas, beispielsweise einem Abgas eines Verbrennungsmotors, ausgesetzt. Auf der gegenüberliegenden, anschlussseitigen
Stirnfläche 29 des Sensorelements 20 erfolgt der elektrische .Anschluss des Sensorelements 20.
Das Sensorelement 20 ist in Planartechnik hergestellt und weist eine erste, eine zweite und eine dritte Festelektrolytschicht 31, 32, 33 auf. Auf der Außenfläche der ersten dem
Messgas ausgesetzten Festelektrolytschicht 31 und damit auf der messgasseitigen Stirnfläche 28 des Sensorelements 20 ist eine erste Elektrode 34 vorgesehen. In die an die erste Festelektrolytschicht 31 angrenzende zweite Festelektrolytschicht 32 ist ein Referenzgasraum 38 eingebracht. Im Referenzgasraums 38 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 31 eine zweite Elektrode 35 vorgesehen. Die erste und die zweite
Elektrode 34, 35 bilden zusammen mit der zwischen den beiden Elektroden 34, 35 angeordneten ersten Festelektrolytschicht 31 eine elektrochemische Nernstzelle.
In der dritten, an die zweite Festelektrolytschicht 32 angrenzenden Festelektrolytschicht 33 ist eine Gaszutrittsöffnung 39 vorgesehen, durch die der Referenzgasraum 38 mit einem Referenzgas enthaltenden Bereich außerhalb des Sensorelements 20 verbunden ist. Weiterhin sind auf der anschlussseitigen Stirnfläche 29 des Sensorelements 20, also auf der Außenfläche der dritten Festelektrolytschicht 33 eine erste und eine zweite Kontaktfläche 36, 37 aufgebracht, die mit der ersten beziehungsweise zweiten Elektrode 34, 35 durch Durchkontaktierungen (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sind. Auf der messgasseitigen Stirnfläche 28 des Sensorelements 20 ist nahe dem Außenrand der messgasseitigen Stirnfläche 28 eine ringförmige Dichtfläche 43 des Sensorelements 20 vorgesehen, auf der eine entsprechende Dichtfläche 42 eines Dichtrings 41 aufliegt. Die Dichtfläche 43 des Sensorelements 20 ist durch den entsprechenden Abschnitt der ersten Festelektrolytschicht 31 gebildet. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist auf die erste Festelektrolytschicht 31 eine ringförmige Isolationsschicht aufgebracht, die aus Keramik besteht, die Dichtfläche 43 des Sensorelements 20 bildet und den Dichtring 41 und damit das Gehäuse 21 gegen die erste Festelektrolytschicht 31 elektrisch isoliert.
Die Festelektrolytschichten 31, 32, 33 des Sensorelements 20 bestehen aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid. Die porösen Elektroden 34, 35 und die Kontaktflächen 36, 37 bestehen aus einem Cermet, das Platin und Zirkonoxid enthält.
Das zylinderförmige Sensorelement 20 ist in dem rohrförmigen Gehäuse 21 derart festgelegt, dass die Längsachsen des Sensorelements 20 und des Gehäuses 21 zusammenfallen. Das Sensorelement 20 ist an seiner Mantelfläche von einem hülsenförmigen Isolierkörper 23 umgeben, durch den das Sensorelement 20 von dem metallischen Gehäuse 21 isoliert ist. Der Isolierkörper 23 besteht überwiegend aus Aluminiumoxid.
Am messgasseitigen Ende des Gehäuses 21 ist durch Laserschweißen ein Schutzrohr 22 festgelegt. Auf der dem Sensorelement 20 zugewandten Seite weist das Schutzrohr 22 einen nach innen weisenden Abschnitt 44 auf, der als Widerlager für den Dichtring 41 dient. Das Sensorelement 20 wird mit seiner Dichtfläche 43 durch ein Federelement 26 auf den Dichtring 41 gedrückt und so im Gehäuse 21 abgedichtet.
Das Federelement 26 ist im Gehäuse 21 zwischen einem am Gehäuse 21 angeformten Widerlager und einer Kontaktierungsscheibe 24 angeordnet. Die Kontaktierungsscheibe 24 weist zwei Durchführungen 52 auf, durch die zwei Leiterelemente 25 geführt sind. Die
Leiterelemente 25 weisen zwischen der Kontaktierungsscheibe 24 und dem Sensorelement 20 einen zur anschlussseitigen Stirnfläche 29 parallelen Abschnitt auf. Dieser Abschnitt wird durch das Federelement 26 über die Kontaktierungsscheibe 24 auf die jeweiligen Kontaktflächen 36, 37 gedrückt. Um ein Verfließen dieses Abschnittes der Leiterelemente 25 zu verhindern, sind auf der dem Sensorelement 20 zugewandten Seite der Kontaktierungsscheibe 24 für jedes Leiterelement 25 eine Aussparung 51 vorgesehen, aus der das Leiterelement 25 mit einem Teilabschnitt herausragt.
An das Gehäuse 21 schließt sich eine Metallmantelleitung mit einem Metallmantel an, in dem die Leiterelemente 25 geführt sind. Die Leiterelemente 25 sind durch eine Isolation von dem Metallmantel elektrisch isoliert. Die Metallmantelleitung ist durch eine Schweißverbindung am Gehäuse 21 festgelegt oder einstückig mit dem Gehäuse 21 verbunden.
In einer alternativen Ausfuhrungsform der Erfindung weist das Sensorelement einen
Heizer auf, durch den das Sensorelement auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Der Heizer ist zwischen der dritten Festelektrolytschicht und einer vierten Festelektrolytschicht angeordnet und von den Festelektrolytschichten durch eine Isolation elektrisch isoliert. Der Heizer ist durch zwei Durchkontaktierungen mit weiteren Kontaktflächen auf der anschlussseitigen Stirnfläche des Sensorelements verbunden.
Figur 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Gasmessfühler zur Bestimmung der Temperatur eines Messgases. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausfuhrungsbeispiel in der Ausgestaltung des Sensorelements 120. Der Verbau des Sensorelements 120 in das
Gehäuse 21 sowie Abdichtung und Kontaktierung entsprechen dem ersten Ausfuhrungsbeispiel. Daher wurden einander entsprechende Elemente in Figur 2 mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet.
Das Sensorelement 120 weist eine erste Keramikfolie 161 und eine zweite Keramikfolie
162 auf, zwischen denen eine mäanderförmige Widerstandsschicht 165 sowie eine erste Isolationsschicht 163 vorgesehen ist. Die erste Isolationsschicht 163 umgibt die Widerstandsschicht 165 vollständig, so dass die Widerstandsschicht 165 durch die erste Isolationsschicht 163 von der ersten und der zweiten Keramikfolie 161, 162 elektrisch isoliert ist.
Auf der dem Messgas abgewandten Seite des Sensorelements 120 ist auf der ersten Keramikfolie 161 eine zweite Isolationsschicht 164 vorgesehen, auf der die erste und die zweite Kontaktfläche 36, 37 vorgesehen sind. Die Widerstandsschicht 165 ist durch nicht dargestellte Durchkontaktierungen mit den beiden Kontaktflächen 36, 37 elektrisch verbunden. Aus dem temperaturabhängigen Widerstand der Widerstandsschicht 165 wird mittels einer außerhalb des Gasmessfuhlers angeordneten Auswerteelektronik (nicht dargestellt) die Temperatur des Messgases bestimmt.
Zum Abgleich der Widerstandsschicht 165 ist in der zweiten Keramikfolie 162 eine Öffnung vorgesehen, die nach erfolgtem Abgleich durch den sogenannten
Trimmlochverschluss 166 verschlossen wird.
Die erste und zweite Keramikfolie 161, 162 besteht überwiegend aus Zirkonoxid, die erste und zweite Isolationsschicht 163, 164 aus Aluminiumoxid. Die Widerstandsschicht 165 besteht überwiegend aus Platin. Der Trimmlochverschluss 166 besteht aus einem
Glas. In einer alternativen Ausführung kann der Trimmlochverschluss 166 auch eine Glaskeramik oder eine Keramik aufweisen.
Der Verbau einschließlich der Halterung, der Abdichtung und der Kontaktierung des Sensorelements 120 zur Bestimmung der Temperatur des Messgases entspricht dem
Verbau des Sensorelements 20 des ersten Ausführungsbeispiels.
Eine alternative, nicht dargestellte Ausfuhrungsform der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Dichtfläche des Sensorelements konisch ausgeführt ist, wobei die Symmetrieachse der konischen
Dichtfläche parallel zur Symmetrieachse des rohrförmigen Gehäuses liegt und wobei die konische Dichtfläche einen Winkel zur Längsachse des Gehäuses von 75 Grad aufweist. Der Dichtring liegt bei dieser Ausführungsform plan auf der Dichtfiäche auf und ist somit ebenfalls konisch geformt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im ersten und zweiten Ausfuhrungsbeispiel beschriebenen Sensorelemente beschränkt, sondern allgemein auf in Planartechnik hergestellte Sensorelemente übertragbar. Diese Sensorelemente können auch zum Nachweis von Sauerstoff oder einer anderen Gaskomponente wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Kohlendioxid geeignet sein und mehr als eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Nemstzelle und eine Pumpzelle (Breitband- Lambda-Sonde) aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Gasmessfuhler (10) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines
Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Temperatur des Messgases oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, mit einem in einem Gehäuse (21) angeordneten, in Planartechnik aufgebauten Sensorelement (20, 120), das zur
Abdichtung im Gehäuse (21) eine Dichtfläche (43) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Gehäuses (21) senkrecht zur Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) steht.
2. Gasmessfuhler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) auf einem Dichtring (41) aufliegt.
3. Gasmessfuhler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (41) am Gehäuse (21) angeformt ist oder für den Dichtring (41) ein an das Gehäuse (21) angeformtes Widerlager (44) vorgesehen ist.
4. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) auf einer dem Messgas zugewandten und/oder ausgesetzten Außenfläche des Sensorelements (20, 120) vorgesehen ist.
5. Gasmessf hler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) als eine auf das Sensorelement (20, 120) aufgebrachte, Keramik enthaltende Isolationsschicht ausgebildet ist.
6. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine messgasseitige Stirnfläche (28) des Sensorelements (20, 120) oder eine der messgasseitigen Stirnfläche (28) nächstliegende Festelektrolytschicht (31, 162) des Sensorelements (20, 120) die Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) oder zumindest den Dichtring (41) in Richtung der Längsachse des Gehäuses (21) nicht überragt.
7. Gasmessfuhler (10) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Temperatur des Messgases oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem in einem Gehäuse (21) angeordneten, in Planartechnik aufgebauten Sensorelement (20, 120), das mindestens eine Kontaktfläche (36, 37) aufweist, die mit einem Leiterelement (25) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (36, 37) des Sensorelements (20, 120) senkrecht zur Längsachse des Gehäuses (21) steht.
8. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (26) vorgesehen ist, das auf das Sensorelement (20, 120) mittelbar oder unmittelbar eine Kraft in Richtung der Längsachse des Gehäuses (21) ausübt.
9. Gasmessfuhler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (26) eine Kraft ausübt, durch die das Leiterelement (25) auf die Kontaktfläche (36, 37) und die Dichtfläche (43) des Sensorelements (20, 120) auf die Dichtfläche (42) des Dichtrings (41) gedrückt wird.
10. Gasmessfuhler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (26) auf der dem Messgas abgewandten Seite des Sensorelements (20, 120) angeordnet ist.
11. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (36, 37) auf der der Dichtfläche (43) abgewandten Seite des Sensorelements (20, 120) vorgesehen ist.
12. Gasmessfuhler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Federelement (26) und dem Sensorelement (20, 120) eine Kontaktierungsscheibe (24) vorgesehen ist.
13. Gasmessfuhler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsscheibe (24) in Richtung der Längsachse des Gehäuses (21) eine Durchführung (52) zur Aufnahme des Leiterelements (25) aufweist.
14. Gasmessfuhler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsscheibe (24) auf ihrer dem Sensorelement (20, 120) zugewandten Seite eine Aussparung (51) zur Aufnahme des Leiterelements (25) aufweist, wobei ein Teilbereich des Leiterelements (25) aus der Aussparung (51) herausragt.
15. Gasmessfuhler nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiterelemente (25) vorgesehen sind, und dass die Kontaktierungsscheibe (24) für jedes Leiterelement (25) eine Durchführung (52) und/oder eine Aussparung (51) aufweist.
16. Gasmessfuhler nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (26) als Tellerfeder ausgebildet ist.
17. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (20, 120) von einem hülsenförmigen Isolierkörper (23) umgeben und so vom Gehäuse (21) elektrisch isoliert ist.
18. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (25) in einer sich direkt an das Gehäuse (21) anschließende
Metallmantelleitung geführt ist.
19. Gasmessfuhler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) und die Metallmantelleitung einstückig ausgebildet ist, oder Gehäuse (21) und Metallmantelleitung durch eine Schweißverbindung, insbesondere eine
Laserschweißverbindung, verbunden sind.
20. Gasmessfuhler nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Metallmantelleitung zumindest ungefähr dem Außendurchmesser des Gehäuses (21) entspricht.
21. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden jAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (20, 120) zylinderförmig ist, und dass das Gehäuse (21) im wesentlichen rohrförmig ist.
22. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (20, 120) als keramischer Schichtverbund ausgebildet ist, dessen Schichtebenen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses (21) angeordnet sind.
23. Gasmessfuhler (10) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Temperatur des Messgases oder der
Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, in Planartechnik in Schichtebenen aufgebauten Sensorelement, das zur Abdichtung im Gehäuse eine Dichtfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtebenen des Sensorelements senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet sind, und dass die Dichtfläche konisch geformt ist und zur Längsachse des Gehäuses einen Winkel von 45 bis 90 Grad, insbesondere von 60 bis 85 Grad, aufweist.
24. Gasmessfuhler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche des Sensorelements auf einem konisch geformten Dichtring aufliegt.
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