WO2014206648A1 - Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum Download PDF

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WO2014206648A1
WO2014206648A1 PCT/EP2014/060276 EP2014060276W WO2014206648A1 WO 2014206648 A1 WO2014206648 A1 WO 2014206648A1 EP 2014060276 W EP2014060276 W EP 2014060276W WO 2014206648 A1 WO2014206648 A1 WO 2014206648A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
sensor element
heating
layer structure
solid electrolyte
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/060276
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hartwig Lehle
Stefan Schmid
Johannes Grabis
Goetz Reinhardt
Thomas Moser
Christoph Peters
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 WO2014206648A1 publication Critical patent/WO2014206648A1/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
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space
  • a large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these may be any desired physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more of these
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be any substance that can be detected.
  • Measuring gas detected such as other exhaust gas constituents, in particular water, nitrogen oxides, hydrocarbons, etc., or the temperature.
  • such sensor elements may be configured as so-called lambda probes, as they are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in
  • broadband lambda probes in particular with planar broadband lambda probes, for example, the
  • the air ratio ⁇ describes this air-fuel ratio.
  • Such sensor elements usually have a heating element for generating heat.
  • the sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space comprises at least one solid electrolyte layer, at least one first electrode and a
  • the solid electrolyte layer, the first electrode and the heating element form a layer structure.
  • the solid electrolyte layer has an end face facing the measurement gas space and at least two parallel to the end face
  • the heating element has a heating area and at least one supply track.
  • the heating element is arranged in the layer structure such that the heating area at least in the vicinity of the side surfaces of
  • Solid electrolyte layer is arranged.
  • the first electrode is arranged in the layer structure such that the first electrode overlaps at least partially with the heating region when viewed in a direction parallel to the layer structure.
  • the first electrode may be arranged in the layer structure such that at least 60% of a surface of the first electrode facing the heating element overlaps with the heating region in a direction parallel to the layer structure.
  • the first Electrode may be arranged at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer.
  • the heating element may be arranged in the layer structure such that the heating region is arranged in the vicinity of the end face facing the measuring gas chamber.
  • the sensor element further comprises at least one second electrode, the first electrode, the second electrode and the solid electrolyte layer forming a pump cell, wherein the first electrode is arranged in the interior of the layer structure and the second electrode is arranged on an outside of the layer structure which can be exposed to the measurement gas space.
  • the first electrode may be at least partially annular
  • the first electrode may be formed, for example, as a ring segment.
  • the first electrode may alternatively be formed as a ring electrode.
  • Sensor element may further comprise at least a third electrode.
  • the first electrode, the third electrode and the solid electrolyte layer may form a Nernst cell.
  • the third electrode may be arranged in the layer structure such that the Nernst cell can be heated by the heating region.
  • the third electrode can partly overlap with the heating area in a direction parallel to the layer structure.
  • the heating region may include at least a portion extending from at least one of the side surfaces toward the third electrode.
  • the sensor element may extend in a longitudinal direction in the measuring gas space.
  • the heating area may be designed to be in
  • the sensor element may extend in a longitudinal direction in the measuring gas space.
  • the third electrode can be arranged closer to the end face than the first electrode.
  • the longitudinal direction can be perpendicular to the end face of the solid electrolyte layer.
  • the sensor element can furthermore have a gas access path.
  • the first electrode can be acted on by means of the Gaszutrittswegs with the sample gas.
  • the first electrode may be located between the end face of the solid electrolyte layer and the gas access path.
  • the first electrode and / or the third electrode may be formed substantially rectangular in a view parallel to the layer structure. Depending on how the sensor works, additional electrodes may be included.
  • a solid electrolyte layer is a body or article having electrolytic properties, that is, ion-conducting
  • the solid electrolyte may be in the form of a solid electrolyte layer or of several
  • the solid electrolyte layer may contain yttrium-stabilized zirconia and / or scandium-stabilized zirconia.
  • a layer is to be understood as a uniform mass in a planar extent at a certain height, which lies above, below or between other elements.
  • a layer structure is generally to be understood as meaning an element which has at least two layers and / or layer planes arranged one above the other.
  • the layers can be distinguished by the production of the layer structure distinguishable and / or from different materials and / or
  • the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure.
  • An electrode in the context of the present invention is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte layer in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte layer and the electrode.
  • the electrode may comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte layer and / or removed from the solid electrolyte layer.
  • the electrode is located at a position of the solid electrolyte layer at which the ion conduction takes place during operation or a certain minimum value of the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is present. Typically, these include
  • Electrodes a noble metal electrode, which may be applied, for example as a metal-ceramic electrode on the solid electrolyte layer or otherwise with the
  • Solid electrolyte layer may be in communication.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
  • the actual electrode can be distinguished from its supply line in that it has a larger cross section than the supply line.
  • the feed line is located at a location of the solid electrolyte layer at which no or only a very small ion conduction takes place during operation.
  • a heating element is to be understood as meaning an element which serves to heat the solid electrolyte layer and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature.
  • the functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte layer becomes conductive to ions and is about 350 ° C.
  • the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature.
  • the operating temperature may be, for example, from 600 ° C to 950 ° C.
  • the heating element may comprise a heating area and at least one feed track.
  • a heating region is to be understood as meaning that region of the heating element which overlaps the first electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element.
  • the heating area heats up more during operation than the
  • the heating area and / or the supply track are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage.
  • the heating element may for example be made of a platinum cermet. The greater heating of the heating area compared to the
  • Resistance path can be realized, for example, in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track. This can be realized by selecting the material and / or a smaller cross-sectional area than the supply track.
  • an arrangement of a component or functional element at least in the vicinity of the side surfaces is to be understood in particular to mean an arrangement of the component in which the component or functional element is arranged entirely, predominantly and / or locally as close as technically possible to the side surfaces , In this case, the component is preferably arranged entirely, predominantly and / or in regions at a specific maximum distance from the side surfaces. The distance is determined perpendicular to one of the side surfaces starting from the side surface up to a side surface facing the component or functional element.
  • the maximum distance from the side surface is from 0 ⁇ to 100 ⁇ , or even up to 200 ⁇ or 250 ⁇ , for example 10 ⁇ , and preferably 0 ⁇ .
  • an arrangement of the heating region at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer is to be understood in particular to mean an arrangement of the heating region in which the heating region is arranged entirely, predominantly and / or locally as close as technically possible to the side surfaces.
  • such an arrangement is technically by the provision of a so-called sealing frame of an electrically insulating material, such as
  • alumina or zirconia which shields the heating element and the heating area from the outside of the sensor element.
  • the maximum distance from the side surface is from 0 ⁇ to 100 ⁇ , or even up to 200 ⁇ or 250 ⁇ , for example 10 ⁇ , and preferably 0 ⁇ .
  • An arrangement of the first electrode at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer is to be understood in the context of the present invention, in particular an arrangement of the first electrode, in which the first electrode quite, predominantly and / or partially as close as technically possible to the
  • a partial overlap in one direction parallel to the layer structure is to be understood in particular to mean an arrangement in which the first element has at least 20% or at least 30% of its surface facing the heating element during a projection of the first electrode the heating element is located in the direction of the layer structure on the heating area.
  • a functional element is to be understood as meaning an element which is selected from the group consisting of: electrode, heating element, pumping cell, Nernst cell, diffusion barrier.
  • functional elements are those elements of a sensor element that are intended for chemical, physical, electrical, electrophysical, and / or electrochemical
  • a thickness of a component or an element is to be understood as meaning a dimension in the direction of the layer structure and thus perpendicular to the individual layer planes of the layer structure.
  • a gas inlet hole is to be understood as a channel-shaped opening with an arbitrary cross-section, such as rectangular, square or circular, which is suitable for transferring a measurement gas from the measurement gas space into an actual measurement space arranged in the interior of the sensor element or the solid electrolyte layer to let in.
  • an end face facing the measuring gas space is to be understood as that area of a solid electrolyte layer which is arranged furthest within the measuring gas space.
  • the position of the end face is seen in an extension direction of the sensor element, so that the end face is that surface of the sensor element which, viewed in the extension direction, is arranged furthest within the measurement gas space.
  • the sensor element defines a longitudinal extension direction, which is a direction in which the sensor element extends into the measurement gas space, wherein the end face extends perpendicular to this extension direction. Since the extension direction is usually parallel to the largest surface of the sensor element, this is also called
  • An arrangement of an electrochemical cell between the end face and the gas access hole is understood to mean an arrangement that is inverted with a gas access hole compared with conventional sensor elements.
  • Sensor elements is the gas inlet hole between the end face and the electrochemical cell. According to the invention, it is provided to arrange the gas inlet hole displaced in the direction of the terminal contact electrodes so that the electrochemical cell is located between the end face and the gas inlet hole, ie. H. the gas inlet hole is located farther from the end surface than the gas inlet hole
  • the arrangement is in the extension direction of the
  • the flowing measuring current is proportional to the oxygen or fat gas content in the exhaust gas.
  • Heating the measuring cell while minimizing the tensile stresses is possible and thus the heating rate can be increased.
  • This can be achieved by an arrangement of the heating element in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer.
  • a partial overlap of the first electrode and the heating region of the heating element is also proposed.
  • This can be achieved by arranging the first electrode at the heating region of the heating element or, conversely, the heating region of the heating element at the first electrode, so that overall the first electrode is arranged in the hotspot of the heating element.
  • This type of arrangement is to be understood in a projection plane in a direction parallel to the layer structure.
  • Hotspots because the tensile stresses are proportional to a temperature difference between the temperature of the hotspot and the temperature on the side surface.
  • a targeted heating of the side surfaces or the side edges therefore a possibility is proposed according to the invention, with which the tensile stresses can be minimized.
  • the functional elements to be heated quickly to the usual operating temperatures of 600 ° C. to 850 ° C. are the pump cell, the Nernst cell and the diffusion barrier.
  • the pump cell has the highest temperature requirement. To a sufficiently high
  • the Nernst voltage for measuring or regulating the oxygen partial pressure in the cavity is temperature-dependent. Temperatures above 350 ° C are required to measure the Nernst voltage.
  • the Nernst cell also has a temperature measuring function or
  • the diffusion barrier is of secondary importance. In principle, no high temperature is required for gas diffusion.
  • diffusion through the diffusion barrier is temperature dependent.
  • the temperature of the three mentioned functional elements i. H. Pump cell, Nernst cell and diffusion barrier to keep constant during operation.
  • the temperature distribution during the heating process by suitable design of the heating element with respect to geometry and material is adjusted so that the thermo-mechanical stresses are minimal.
  • the energy from the outer edge of the sensor element must be introduced to avoid tensile stresses on the side edges. This allows a fast heating of the sensor element.
  • the measuring cell geometry is adapted to the existing temperature distribution.
  • the pump cell is placed in the hottest area, so that the inner pumping and Nernst electrode comes to lie over a large area at the hottest point of the heating element.
  • the Nernst cell and the diffusion barrier with lower temperature requirements can be arranged in colder or slower heated areas of the sensor element.
  • An annular or omega-shaped heater is the ideal geometry to place the conductor tracks of the heating element, which bring the energy into the sensor element, as far as possible to the edges of the sensor element. In this way, the sensor element is heated exclusively from the outside inwards, so that the
  • thermomechanical tensile stresses are minimal.
  • the "omega" geometry of the heating element is ideally adaptable to an annular pumping electrode. This proves the temperature distribution in the sensor element when it is ready for operation. This ensures an optimally short heat flow from the heating element to the pumping electrode. This causes the fastest possible heating of the pump electrode.
  • the electrode may be formed as a ring segment.
  • the heating element according to the embodiment described above is optimally adapted to the frontal and lateral geometry of the inner pumping electrode. Only the contact-side area is not optimally heated. As a possible alternative this could be
  • Electrode sector omitted so that there is an open electrode ring and the reference electrode could be positioned closer to the forehead.
  • annular heating element with additional heating of the Nernst cell. If one wishes to retain the full electrode ring of the inner pumping electrode and simultaneously heat the Nernst cell rapidly with an omega-shaped heating element, then this can be supplemented by the first embodiment described by a tapering of the heating area at the height of the
  • Nernst cell be heated up faster.
  • the heating area at the level of the Nernst cell could be laid more strongly in the middle of the sensor element. This would have the advantage that the Nernst cell is heated faster.
  • the latter opens the possibility that not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used for the release of the probe in the vehicle.
  • Another possible embodiment is a linear design of the sensor element with inverted arrangement of the diffusion barrier and the pumping electrode.
  • thermomechanical robustness can be increased during rapid heating by the pump electrode is placed directly on the front edge. This is followed by the connection contact side diffusion barrier and gas access. In comparison to the conventional structure of the linear design thus results in an inverted arrangement of pumping electrode and diffusion barrier.
  • the advantage of this arrangement is that the sensor element can be heated by an omega-shaped heating element from the outside, which ensures a high thermo-mechanical robustness, and yet the pump electrode is heated directly, which ensures a fast fast light-off.
  • the area enclosed by the electrode is due to the linear
  • Another possible embodiment is a sandwich construction of pumping cell and Nernst cell.
  • the classical structure of a sensor element of a broadband lambda probe provides for an arrangement of the inner pumping and Nernst electrode and the reference electrode on one level.
  • the reference electrode between the inner pump and Nernstelektrode and the outer Pump electrode is arranged, the reference electrode can be moved towards the front edge in the hotspot and so a faster internal resistance control readiness so temperature control readiness can be achieved. Because the Nernst cell with the help of
  • Internal resistance measurement serves as a thermometer of the sensor element, it can be ensured by this arrangement that the temperature is measured in the hottest area, and thus prevent overheating of the sensor element. This would allow the measurement of the temperature to be maintained via the Nernst cell to release the probe instead of using the internal resistance signal of the pumping cell.
  • the reference channel In the area between inner pumping and Nernst electrode and outer pumping electrode, the reference channel must be narrow, so that the electrodes are not isolated from each other.
  • Another possible embodiment is a sensor element with lateral or front gas inlet.
  • the embodiment described above with the inverted arrangement of the diffusion barrier and the pumping electrode and the classical
  • Linear design can also be realized with lateral or frontal gas access. This has the advantage that at the same time the Wasserschlagrobustheit can be increased. Moreover, if open gas access is avoided by pulling the porous diffusion barrier outwards, the thermomechanical robustness of the
  • FIG. 1 shows a sectional view of a sensor element according to a first embodiment
  • Figure 2 shows a distribution of the temperature in the sensor element according to the first
  • FIG. 3 shows a distribution of the tensile stress in the sensor element according to the first embodiment during operation
  • Figure 4 is a sectional view of a sensor element according to a second
  • Figure 5 is a sectional view of a sensor element according to a third
  • Figure 6 shows a distribution of the temperature in the sensor element according to the third
  • Figure 7 shows a distribution of the tensile stress in the sensor element according to the third
  • Figure 8 is a sectional view of a sensor element according to a fourth
  • Figure 9 is a sectional view of a sensor element according to a fifth
  • Figure 10 is a sectional view of a sensor element according to a sixth
  • Embodiment of the invention and Figure 1 1 is a sectional view of the sensor element according to the sixth
  • FIG. 1 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a first embodiment
  • the section runs parallel to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal extension direction of the
  • the sensor element 10 shown in Figure 1 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample gas, wherein one or more properties can be detected.
  • the invention is described below with particular reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Basically, however, are also other types of
  • Gas components detectable such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected.
  • the invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine, with the measuring gas in particular being an exhaust gas.
  • the sensor element 10 comprises at least one solid electrolyte layer 12 with at least one first electrode 14 and a heating element 16.
  • the solid electrolyte layer 12, the first electrode 14 and the heating element 16 form a layer structure 18, whose orientation is indicated by an arrow.
  • the view of FIG. 1 is a view in the direction of the layer structure 18, so that the layer structure 18 is oriented in the plane of the drawing or out of the plane of the drawing.
  • the first electrode 14 is in the view of Figure 1 parallel to the layer structure 18 on the solid electrolyte layer 12 and the
  • the first electrode 14 is at least partially annular. In the first embodiment, the first electrode 14 is formed as a ring electrode. The first electrode 14 is disposed inside the layer structure 18.
  • the solid electrolyte layer 12 has an end face 20 facing the measurement gas space and at least two side faces 22, 24 arranged parallel to the layer structure 18.
  • the heating element 16 has a heating area 26 and at least one feed track 28. The heating element 16 is designed as a resistance path. At this
  • the heating element 16 therefore has two supply tracks 28.
  • the heating element 16 is arranged in the layer structure 18 such that the heating region 26 is arranged at least in the vicinity of the side surfaces 22, 24 of the solid electrolyte layer 12.
  • a so-called sealing frame 29 is arranged between the heating region 26 and the side surfaces 22, 24 and optionally also the end surface 20, so that the heating region 26 is arranged with the smallest possible distance to the side surfaces 22, 24 and optionally also to the end surface 20.
  • the first electrode 14 is arranged in the layer structure 18 such that the first electrode 14, viewed in a direction parallel to the layer structure 18, at least partially overlaps the heating region 26. In the embodiment shown in Figure 1, the first electrode 14 overlaps with the Heating area 26, for example, at least 60%.
  • the heating element 16 is arranged in the layer structure 18 such that the heating area 26 is additionally arranged in the vicinity of the end face 20 facing the measuring gas space.
  • the first electrode 14 is also disposed in the vicinity of at least the side surfaces 22, 24.
  • the sensor element 10 furthermore has at least one second electrode 30, which can not be seen in the view of FIG. 1, but can be seen, for example, from FIG. 9.
  • the second electrode 30 is arranged on an outer surface or surface of the layer structure 18 which can be exposed to the measuring gas space.
  • the first electrode 14, the second electrode 30 is arranged on an outer surface or surface of the layer structure 18 which can be exposed to the measuring gas space.
  • Electrode 30 and the solid electrolyte layer 14 between them form a pumping cell.
  • the second electrode 30 is thus an outer pumping electrode.
  • the sensor element 10 furthermore has at least one third electrode 32.
  • the third electrode 32 is thus a reference electrode.
  • the first electrode 14 is an inner pumping and Nernst electrode, i. a combination of inner pumping electrode and Nernst electrode.
  • FIG. 2 shows the distribution of the temperature of the sensor element 10 according to the first embodiment during operation, i. With the heating element 16 switched on. As can be seen from FIG. 2, there is a clearly recognizable region 34 in which the temperature is highest and which extends parallel to the heating region 26. On the other hand, the temperature increases toward the third electrode 32 and the
  • FIG. 3 shows the distribution of the tensile stress during operation of the sensor element according to the first embodiment. As can be seen in FIG. 3, in regions 35 in the vicinity of the side surfaces 22, 24 and the end surface 20, the tensile stress in the solid electrolyte layer 12 is higher than in regions 36 in the vicinity of the third electrode 32 and the supply paths 28 of the heating element 16, however, these are
  • FIG. 4 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a second
  • the section of the view of Figure 4 is analogous to the section of the view of Figure 1.
  • the first electrode 14 is formed as a ring segment or open ring electrode.
  • the third electrode 32 is arranged so as to partially overlap with the heating region 26 as viewed in a direction parallel to the layer structure 18 and closer to the first electrode 14 as compared with the first embodiment.
  • the third electrode 32 i. the reference electrode, laid in the hottest area 34.
  • the Nernst cell is also in the hottest region 34. This opens up the possibility that not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used for the release of the sensor element 10 by a motor control, not shown, of the motor vehicle.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a third
  • the section of the view of FIG. 5 is analogous to the section of the view of FIG. 1.
  • the sensor element 10 extends in a longitudinal direction 38 in the measuring gas space.
  • the longitudinal extension direction 38 is perpendicular to the end face 20 of the solid electrolyte layer 12.
  • the first electrode 14 is as in the first
  • Embodiment designed as a ring electrode The third electrode 32 does not overlap with the heating area in a direction parallel to the layer structure 18.
  • the heating region 26 is designed so that it has a smaller cross-sectional area at the level of the third electrode 32 than at the level of the first electrode 14, viewed in the direction of longitudinal extension 38.
  • the electrical resistance path of the heating region 26 of FIG Heating element 16 at the level of the third electrode 32 has a smaller cross-sectional area than at the level of the first electrode 14.
  • the cross-sectional area of the resistance path of the heating region 26 of the heating element 16 thus increases from the third electrode 32 in the direction of
  • the increase in cross-sectional area may be uniform or nonuniform, such as stepped.
  • a smaller cross-sectional area causes a greater electrical resistance compared to a larger cross-sectional area, so that in the region of the smaller cross-sectional area more heating than in the region of the larger cross-sectional area occurs.
  • This has the advantage that the Nernst cell is heated faster. The latter opens the possibility that not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used for the release of the sensor element 10 in the vehicle.
  • FIG. 6 shows the distribution of the temperature of the sensor element 10 according to the third embodiment during operation.
  • the hottest region 34 which extends parallel to the heating region 26, is again formed by the heating region 26.
  • the temperature decreases in the direction of the third electrode 32 and the supply tracks 28 of the heating element 16.
  • the first electrode 14 is arranged so that it is located in a hotspot of the heating element 16.
  • FIG. 7 shows the distribution of the tensile stress of the sensor element 10 according to the third embodiment during operation.
  • Tensile stress in the solid electrolyte layer 12 is higher than in areas 36 in the vicinity of the third electrode 32 and the supply tracks 28 of the heating element 16, however, these tensile stresses in the areas 35 are minimal or significantly lower compared to the tensile stresses occurring in conventional sensor elements.
  • FIG. 8 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a fourth
  • the section of the view of FIG. 8 is analogous to the section of the view of FIG. 1.
  • the sensor element 10 according to the fourth embodiment is an alternative to the sensor element 10 according to the third embodiment.
  • the heating region 26 is formed to have at least a portion 40 extending from at least one of the side surfaces 22, 24 toward the third electrode 32.
  • two sections 40 are provided, which are symmetrically opposite one another with respect to the longitudinal extension direction 38 and partially overlap of the third electrode 32 become. In the fourth embodiment is thus compared to the third
  • FIG. 9 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a fifth
  • Embodiment runs perpendicular to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal extension direction of the sensor element 10.
  • the sensor element 10 has a gas inlet path 42.
  • the gas access path 42 has a gas access hole 44 that extends into the interior of the layer structure 18 from an outer surface or surface 46 of the solid electrolyte layer 12 on which the second electrode 30 is disposed.
  • an electrode cavity 48 may be provided adjacent to and connected to the gas inlet hole 44.
  • the electrode cavity 48 is formed, for example cuboid.
  • the electrode cavity 48 is part of the gas access path 42 and may communicate with the sample gas space via the gas inlet hole 44.
  • the gas access hole 44 extends as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 46 of the solid electrolyte layer 12 into the interior of the layer structure 18.
  • the electrode cavity 48 is bounded from the solid electrolyte layer 12 from the solid electrolyte layer 12 toward the gas access hole 44 open. Between the gas inlet hole 44 and the electrode cavity 48, a channel 50 is arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 42. In this channel 50 is a
  • Diffusion barrier 52 is arranged, which a subsequent flow of gas from the
  • a limiting current of a pumping cell 54 can be set via this diffusion barrier 52.
  • the pumping cell 54 includes the second electrode 30 disposed on the surface 46, the first electrode 14 disposed in the electrode cavity 48, and the portion of the solid electrolyte layer 12 between these two electrodes.
  • the above-mentioned limiting current thus represents a current flow between the second electrode 30 and the first electrode 14 via the solid electrolyte layer 12.
  • Gas access hole 44, the heating element 16 is arranged in the layer structure 18.
  • the layer structure 18 comprises the third electrode 32, which is arranged as a pumped reference in a so-called reference gas channel 56.
  • the reference gas channel 56 is not a macroscopic reference gas channel but a pumped reference, i. H. an artificial reference.
  • the first electrode 14, the third electrode 32 and the part of the solid electrolyte layer 12 between these two electrodes form a Nernst cell 58.
  • Electrode 14 and the third electrode 32 is measured.
  • a reference gas channel 56 or on the third electrode 32, which serves as a reference electrode a reference gas channel 56 or on the third electrode 32, which serves as a reference electrode.
  • Oxygen excess prevails, based on the measured voltage on the
  • Composition in the electrode cavity 48 are closed.
  • the gas introduction hole 44 is located between the pumping cell 54 and the Nernst cell 58.
  • the first electrode 14 is located closer to the end surface 20 than the gas access path 42 an inverted arrangement of
  • Electrode 36 which form the pumping electrodes, and the end edges, which form the transition from the end face 19 into the adjacent surfaces of the solid electrolyte layer 14, such as the top 23, are close to each other in this design, is also the thermal mass that is at a fast-light-off must be heated by the heating element 38, low.
  • the substantial portion of the heat generated by the heating element 16 is thus introduced in an area which, viewed in a direction parallel to the layer structure 18, overlaps with the pumping cell 54.
  • the gas inlet hole 44 is outside this range, as can be clearly seen in FIG.
  • FIG. 10 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a sixth embodiment. The section runs perpendicular to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal extension direction of the sensor element 10.
  • the sixth embodiment is an alternative to the sensor element 10 according to the fifth embodiment.
  • the third electrode 32 is closer to the end face 20 than the first electrode 14.
  • the third electrode 32 is also located in a direction parallel to a direction of the layer structure 18 above the first electrode 14. More specifically, the third electrode 32 is between the first electrode 14 and second electrode 30 are arranged in a direction parallel to a direction of the layer structure 18.
  • Figure 1 1 shows a sectional view of the sensor element 10 according to the sixth
  • Embodiment. The section is parallel to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal extension direction of the sensor element 10.
  • the first electrode 14 and the third electrode 32 are seen as rectangular electrodes in a view parallel to the layer structure 18 educated.
  • the sixth embodiment of FIG. 11 does not provide for arrangement of the first electrode 14 and the third electrode 32 on one plane, but on different planes. For simplicity only, the projection of the first electrode 14 onto the plane of the third electrode 32 is shown.
  • the third electrode 32 can be moved toward the end face 20 in the hot spot of the heating region 26 and so faster
  • Nernstzelle 58 serves as a thermometer of the sensor element 10 can, through this
  • the temperature measurement via the Nernstzelle 58 are maintained instead of using the resistance signal of the pumping cell 54.
  • the reference gas channel 56 In the area between the first electrode 14 and the second electrode 30, the reference gas channel 56 must be narrow so that the first electrode 14, the second electrode 30, and the third electrode 32 are not isolated from each other.
  • all the sensor elements 10 shown above can be realized with a lateral or end gas access path 42. This has the advantage that at the same time the Wasserschlagrobustheit can be increased. In this case, if an open gas access is avoided by pulling the porous diffusion barrier 52 outwards, the thermomechanical robustness of the
  • Sensor element 10 can be increased.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasstmindestens eine Festelektrolytschicht (12), mindestens eine erste Elektrode (14) und ein Heizelement (16) zum Erzeugen von Wärme. Die Festelektrolytschicht (12), die erste Elektrode (14) und das Heizelement (16) bilden einen Schichtaufbau (18). Die Festelektrolytschicht (12) weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (20) und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau (18) angeordnete Seitenflächen (22, 24) auf. Das Heizelement (16) weisteinen Heizbereich (26) und mindestens eine Zuleitungsbahn (28) auf. Das Heizelement (16) ist so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet, dass der Heizbereich (26) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist. Die erste Elektrode (14) ist so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet, dass die erste Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.

Description

Beschreibung Titel
Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere
Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann
beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar, wie beispielsweise andere Abgasbestandteile, insbesondere Wasser, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe etc., oder die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im
Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die
Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So weisen derartige Sensorelemente üblicherweise ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme auf. Dabei darf der Temperaturgradient zwischen einem durch das Heizelement erzeugten Hotspot und einer
Sensorelementkante einen bestimmte Grenzwert nicht überschreiten, um eine hohe thermomechanische Robustheit zu gewährleisten, da beim Aufheizen mechanische Zugspannungen in der Keramik entstehen, die bei Überschreiten des Grenzwerts zu Beschädigungen an dem Sensorelement führen könnten. Die beim schnellen Aufheizen entstehenden Zugspannungen könnten beispielsweise zu einem Ausfall des
Sensorelements durch Thermoschock führen. Deshalb werden neben der eigentlichen Messzelle des Sensorelements auch weitere Funktionselemente wie das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere und die Sensorelementkanten beheizt. Diese Heizleistung steht dann nicht direkt dem Beheizen der Messzelle zur Verfügung und verschlechtert das so genannte Fast-Light-Off.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter
Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine lokale Beheizung einer Messzelle des Sensorelements bei gleichzeitiger Minimierung der Zugspannungen möglich ist. Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens eine erste Elektrode und ein
Heizelement zum Erzeugen von Wärme. Die Festelektrolytschicht, die erste Elektrode und das Heizelement bilden einen Schichtaufbau. Die Festelektrolytschicht weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche und mindestens zwei parallel zu dem
Schichtaufbau angeordnete Seitenflächen auf. Das Heizelement weist einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn auf. Das Heizelement ist so in dem Schichtaufbau angeordnet, dass der Heizbereich zumindest in der Nähe der Seitenflächen der
Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die erste Elektrode ist so in dem Schichtaufbau angeordnet ist, dass die erste Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich überlappt.
Die erste Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass mindestens 60% einer dem Heizelement zugwandten Fläche der ersten Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen mit dem Heizbereich überlappen. Die erste Elektrode kann zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sein. Das Heizelement kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass der Heizbereich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche angeordnet ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die Festelektrolytschicht eine Pumpzelle bilden, wobei die erste Elektrode im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist und die zweite Elektrode auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite des Schichtaufbaus angeordnet ist. Die erste Elektrode kann zumindest abschnittsweise ringförmig
ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann beispielsweise als Ringsegment ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann alternativ als Ringelektrode ausgebildet sein. Das
Sensorelement kann weiterhin mindestens eine dritte Elektrode umfassen. Die erste Elektrode, die dritte Elektrode und die Festelektrolytschicht können eine Nernstzelle bilden. Die dritte Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass die Nernstzelle von dem Heizbereich erwärmbar ist. Die dritte Elektrode kann in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen teilweise mit dem Heizbereich überlappen. Der Heizbereich kann mindestens einen Abschnitt aufweisen, der sich von mindestens einer der Seitenflächen in Richtung zu der dritten Elektrode erstreckt. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. Der Heizbereich kann so ausgebildet sein, dass er in
Längserstreckungsrichtung gesehen auf Höhe der dritten Elektrode eine kleinere
Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. In
Längserstreckungsrichtung gesehen kann die dritte Elektrode näher an der Stirnfläche angeordnet sein als die erste Elektrode. Die Längserstreckungsrichtung kann senkrecht zu der Stirnfläche der Festelektrolytschicht sein. Das Sensorelement kann weiterhin einen Gaszutrittsweg aufweisen. Die erste Elektrode kann mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbar sein. Die erste Elektrode kann sich zwischen der Stirnfläche der Festelektrolytschicht und dem Gaszutrittsweg befinden. Die erste Elektrode und/oder die dritte Elektrode können im Wesentlichen rechteckig in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau ausgebildet sein. Je nach Funktionsweise des Sensors können weitere Elektroden enthalten sein.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden
Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften.
Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannten Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren
Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthalten.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder
Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Die Richtung des
Schichtaufbaus bestimmt sich dabei senkrecht zu den jeweiligen Schichten bzw.
Schichtebenen.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Die Elektrode befindet sich dabei an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der die lonenleitung während des Betriebs stattfindet bzw. ein bestimmter Minimalwert der lonenleitfähigkeit der Festelektrolytschicht vorliegt. Typischerweise umfassen die
Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein oder auf andere Weise mit der
Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die eigentliche Elektrode lässt sich von ihrer Zuleitung dadurch unterscheiden, dass sie einen größeren Querschnitt als die Zuleitung aufweist. Die Zuleitung befindet sich an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der keine oder nur eine sehr geringfügige lonenleitung während des Betriebs stattfindet. Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 600 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit der ersten Elektrode überlappt.
Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die
Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitungsbahn sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die stärkere Erwärmung des Heizbereichs im Vergleich zu der
Widerstandsbahn kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand als die Zuleitungsbahn aufweist. Dies kann durch Wahl des Materials und/oder eine kleinere Querschnittsfläche als die Zuleitungsbahn realisiert werden. Unter einer Anordnung eines Bauteils oder Funktionselements zumindest in der Nähe der Seitenflächen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung des Bauteils zu verstehen, bei der das Bauteil oder Funktionselement ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Das Bauteil wird dabei bevorzugt ganz, überwiegend und/oder bereichsweise in einem bestimmten maximalen Abstand von den Seitenflächen angeordnet. Der Abstand wird dabei senkrecht zu einer der Seitenflächen von der Seitenfläche ausgehend bis zu einer der Seitenfläche zugewandten Seite des Bauteils oder Funktionselements bestimmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 μηη bis100 μηη, oder sogar bis 200 μηη oder 250 μηη beispielsweise 10 μηι, und bevorzugt 0 μηι. Unter einer Anordnung des Heizbereichs zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung des Heizbereichs zu verstehen, bei der der Heizbereich ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Üblicherweise wird eine derartige Anordnung technisch durch das Vorsehen eines so genannten Dichtrahmens aus einem elektrisch isolierenden Material, wie
beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, begrenzt, der das Heizelement und den Heizbereich gegenüber der Außenumgebung des Sensorelements abschirmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 μηη bis100 μηη, oder sogar bis 200 μηη oder 250 μηι, beispielsweise 10 μηι, und bevorzugt 0 μηι.
Unter einer Anordnung der ersten Elektrode zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung der ersten Elektrode zu verstehen, bei der die erste Elektrode ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den
Seitenflächen angeordnet wird. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 μηη bis100 μηι, oder sogar bis 200 μηη oder 250 μηι, beispielsweise 10 μηι, und bevorzugt 0 μηι. Unter einer teilweisen Überlappung in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung zu verstehen, bei der sich das erste Element mit mindestens 20 % oder mindestens 30 % seiner dem Heizelement zugewandten Fläche bei einer Projektion der ersten Elektrode auf das Heizelement in Richtung des Schichtaufbaus auf dem Heizbereich befindet.
Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Heizelement, Pumpzelle, Nernstzelle, Diffusionsbarriere. Insbesondere sind unter Funktionselement diejenigen Elemente eines Sensorelements zu verstehen, die für die chemischen, physikalischen, elektrischen, elektrophysikalischen, und/oder elektrochemischen
Funktionen von Bedeutung sind.
Unter einer Dicke eines Bauteils oder eines Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen. Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kanalformige Öffnung mit einem beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig, zu verstehen, die geeignet ist, ein Messgas aus dem Messgasraum in einen im Inneren des Sensorelements bzw. der Festelektrolytschicht angeordneten eigentlichen Messraum eindringen zu lassen.
Unter einer dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Fläche einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Die Position der Stirnfläche wird dabei in einer Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen, so dass die Stirnfläche diejenige Fläche des Sensorelements ist, die in der Erstreckungsrichtung gesehen am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Beispielsweise definiert das Sensorelement eine Längserstreckungsrichtung, die eine Richtung ist, in der sich das Sensorelement in den Messgasraum hinein erstreckt, wobei sich die Stirnfläche senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung erstreckt. Da die Erstreckungsrichtung üblicherweise parallel zu der größten Oberfläche des Sensorelements ist, wird diese auch als
Längserstreckungsrichtung bezeichnet.
Unter einer Anordnung einer elektrochemischen Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch ist eine Anordnung zu verstehen, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen mit einem Gaszutrittsloch invertiert ist. Bei herkömmlichen
Sensorelementen befindet sich das Gaszutrittsloch zwischen der Stirnfläche und der elektrochemischen Zelle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das Gaszutrittsloch in Richtung der Anschlusskontaktelektroden verschoben anzuordnen, so dass sich die elektrochemische Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch befindet, d. h. das Gaszutrittsloch ist weiter von der Stirnfläche entfernt angeordnet als die
elektrochemische Zelle. Die Anordnung wird dabei in Erstreckungsrichtung des
Sensorelements gesehen. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte
Breitband-Lambdasonden beschrieben. Bei derartigen Breitband-Lambdasonden wird die in den Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff oder Fettgas entweder anhand eines Grenzstroms oder anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die Geometrie des Heizelements und der Messzelle des Sensorelements so aufeinander anzupassen, dass eine lokale
Beheizung der Messzelle bei gleichzeitiger Minimierung der Zugspannungen möglich ist und somit die Aufheizgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Dies kann durch eine Anordnung des Heizelements in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht erreicht werden. Dabei wird auch eine teilweise Überlappung der ersten Elektrode und des Heizbereichs des Heizelements vorgeschlagen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die erste Elektrode bei dem Heizbereich des Heizelements bzw. umgekehrt der Heizbereich des Heizelements bei der ersten Elektrode angeordnet wird, so dass insgesamt die erste Elektrode in dem Hotspot des Heizelement angeordnet wird. Diese Art der Anordnung ist dabei in einer Projektionsebene in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau zu verstehen.
Die maximalen Zugspannungen treten typischerweise an den Seitenkanten bzw.
Seitenflächen des Sensorelements auf Höhe eines von dem Heizelement erzeugten
Hotspots auf, da die Zugspannungen proportional zu einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Hotspots und der Temperatur an der Seitenfläche sind. Durch ein gezieltes Aufheizen der Seitenflächen bzw. der Seitenkanten wird daher erfindungsgemäß eine Möglichkeit vorgeschlagen, mit der die Zugspannungen minimiert werden können.
Die schnell auf die üblichen Betriebstemperaturen von 600 °C bis 850 °C aufzuheizenden Funktionselemente sind die Pumpzelle, die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere. Die Pumpzelle hat die höchste Temperaturanforderung. Um eine ausreichend hohe
Sauerstoffionen-Leitfähigkeit und ausreichende Dynamik zu erreichen, sind nämlich Mindesttemperaturen von ungefähr 700 °C erforderlich. Die Nernstspannung zur Messung bzw. Regelung des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum ist temperaturabhängig. Zur Messung der Nernstspannung sind Temperaturen oberhalb von 350 °C erforderlich. Die Nernstzelle hat darüber hinaus eine Temperaturmessfunktion bzw.
Temperaturregelfunktion. Die Diffusionsbarriere ist von untergeordneter Bedeutung. Für die Gasdiffusion ist nämlich grundsätzlich keine hohe Temperatur erforderlich. Die
Diffusion durch die Diffusionsbarriere ist jedoch temperaturabhängig. Um ein möglichst genaues Messsignal zu liefern, ist die Temperatur der drei genannten Funktionselemente, d. h. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere, im Betrieb konstant zu halten.
Herkömmliche Messzellenanordnungen bei herkömmlichen Sensorelementen lassen den oben genannten Aspekt unberücksichtigt, dass zur Minimierung der Zugspannungen die Sensorelementseitenkante schnell aufgeheizt werden muss. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere sind üblicherweise in der Mitte des Sensorelements angeordnet und nicht an die konkrete Geometrie des Heizelements angepasst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Temperaturverteilung während des Aufheizvorgangs durch geeignete Auslegung des Heizelements bezüglich Geometrie und Material so eingestellt, dass die thermomechanischen Spannungen minimal sind. Zu diesem Zweck muss die Energie vom äußeren Rand des Sensorelements eingebracht werden, um Zugspannungen an den Seitenkanten zu vermeiden. Dies ermöglicht ein schnelles Aufheizen des Sensorelements. Die Messzellengeometrie wird der vorliegenden Temperaturverteilung angepasst. Die Pumpzelle wird im heißesten Bereich platziert, so dass die innere Pump- und Nernstelektrode großflächig an der heißesten Stelle des Heizelements zu liegen kommt. Die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere mit geringeren Temperaturanforderungen können in kälteren bzw. langsamer aufgeheizten Bereichen des Sensorelements angeordnet werden.
Lediglich beispielhaft und nicht abschließend werden nun einige mögliche
Ausführungsbeispiele kurz erläutert.
Ein ringförmiger bzw. omegaförmiger Heizer stellt die ideale Geometrie dar, um die Leiterbahnen des Heizelements, welche die Energie ins Sensorelement einbringen, so weit wie möglich an die Ränder des Sensorelements zu legen. Auf diese Weise wird das Sensorelement ausschließlich von außen nach innen aufgeheizt, so dass die
thermomechanischen Zugspannungen minimal sind. Ebenso ist die„Omega' -Geometrie des Heizelements ideal an eine ringförmige Pumpelektrode anpassbar. Dies belegt die Temperaturverteilung im Sensorelement bei Erreichen der Betriebsbereitschaft. Dadurch ist ein optimal kurzer Wärmefluss vom Heizelement zu der Pumpelektrode gewährleistet. Dies bewirkt ein schnellstmögliches Aufheizen der Pumpelektrode.
Alternativ kann die Elektrode als Ringsegment ausgebildet sein. Das Heizelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist optimal an die stirnseitige sowie seitliche Geometrie der inneren Pumpelektrode angepasst. Lediglich der kontaktseitige Bereich wird nicht optimal aufgeheizt. Als mögliche Alternative könnte dieser
Elektrodensektor entfallen, so dass sich ein geöffneter Elektrodenring ergibt und die Referenzelektrode näher zur Stirn positioniert werden könnte. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle weiter in den heißen Bereich verlegt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements im Fahrzeug nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein ringförmiges Heizelement mit zusätzlicher Beheizung der Nernstzelle. Will man den vollen Elektrodenring der inneren Pumpelektrode beibehalten und gleichzeitig mit einem omegaförmigen Heizelement die Nernstzelle schnell erwärmen, so kann diese als Ergänzung zu dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine Verjüngung des Heizbereichs auf der Höhe der
Nernstzelle schneller aufgeheizt werden. Als weitere Alternative könnte der Heizbereich auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements verlegt werden. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe der Sonde im Fahrzeug nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Lineardesign des Sensorelements mit invertierter Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode. Für ein
Sensorelement mit linearer Anordnung von Diffusionsbarriere und Pumpelektrode, d.h. Lineardesign im Vergleich zu dem bisher betrachteten Radialdesign mit ringförmiger Pumpelektrode und Diffusionsbarriere, lässt sich die thermomechanische Robustheit beim schnellen Aufheizen erhöhen, indem die Pumpelektrode direkt an der Stirnkante angeordnet wird. Daran schließen sich dann anschlusskontaktseitig Diffusionsbarriere und Gaszutritt an. Im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau des Lineardesigns resultiert also eine invertierte Anordnung von Pumpelektrode und Diffusionsbarriere. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Sensorelement durch ein omegaförmiges Heizelement von außen beheizt werden kann, was für eine hohe thermomechanische Robustheit sorg, und trotzdem die Pumpelektrode direkt beheizt wird, was für ein schnelles Fast-Light-Off sorgt. Zudem ist die von der Elektrode eingeschlossene Fläche wegen des linearen
Messzellenaufbaus im Vergleich zum ringförmigen Aufbau, d.h. Radialdesign, verkleinert. Durch dieses Design werden also Vorteile von Linear- und Radialdesign kombiniert und der Gedanke aus einer Ausführung der Pumpelektrode als Ringsegment weitergeführt.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sandwichaufbau aus Pumpzelle und Nernstzelle. Der klassische Aufbau eines Sensorelementes einer Breitband- Lambdasonde sieht eine Anordnung der inneren Pump- und Nernstelektrode und der Referenzelektrode auf einer Ebene vor. Durch einen sandwichförmigen Aufbau, bei dem die Referenzelektrode zwischen der inneren Pump- und Nernstelektrode und der äußeren Pumpelektrode angeordnet wird, kann die Referenzelektrode Richtung Stirnkante in den Hotspot gerückt werden und so eine schnellere Innenwiderstandsregelbereitschaft also Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die Nernstzelle mit Hilfe der
Innenwiderstandsmessung als Thermometer des Sensorelementes dient, kann durch diese Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich gemessen wird, und so eine Überhitzung des Sensorelementes verhindert werden. Dies würde ermöglichen, zur Freigabe der Sonde die Temperaturmessung über die Nernstzelle beizubehalten, statt das Innenwiderstands-Signal der Pumpzelle zu verwenden. Im Bereich zwischen innerer Pump- und Nernstelektrode und äußerer Pumpelektrode muss der Referenzkanal schmal sein, damit die Elektroden nicht zueinander isoliert werden.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sensorelement mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt. Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel mit der invertierten Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode sowie das klassische
Lineardesign lassen sich auch mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des
Sensorelementes erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen: Figur 1 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der ersten
Ausführungsform während des Betriebs, Figur 3 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs,
Figur 4 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung, Figur 6 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der dritten
Ausführungsform während des Betriebs,
Figur 7 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der dritten
Ausführungsform während des Betriebs,
Figur 8 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 9 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer fünften
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 10 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer sechsten
Ausführungsform der Erfindung und Figur 1 1 eine Schnittansicht des Sensorelements gemäß der sechsten
Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des
Sensorelements 10. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von
Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht 12 mit mindestens einer ersten Elektrode 14 und ein Heizelement 16. Die Festelektrolytschicht 12, die erste Elektrode 14 und das Heizelement 16 bilden einen Schichtaufbau 18, dessen Orientierung durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Ansicht der Figur 1 ist eine Ansicht in der Richtung des Schichtaufbaus 18, so dass der Schichtaufbau 18 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus orientiert ist. Die erste Elektrode 14 ist in der Ansicht der Figur 1 parallel zu dem Schichtaufbau 18 auf die Festelektrolytschicht 12 und das
Heizelement 16 projiziert. Die erste Elektrode 14 ist zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet. Bei der ersten Ausführungsform ist die erste Elektrode 14 als Ringelektrode ausgebildet. Die erste Elektrode 14 ist im Inneren des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 12 weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche 20 und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau 18 angeordnete Seitenflächen 22, 24 auf. Das Heizelement 16 weist einen Heizbereich 26 und mindestens eine Zuleitungsbahn 28 auf. Das Heizelement 16 ist als Widerstandsbahn ausgebildet. Bei dieser
Ausführungsform weist das Heizelement 16 daher zwei Zuleitungsbahnen 28 auf. Das Heizelement 16 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zumindest in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 der Festelektrolytschicht 12 angeordnet ist. Zwischen dem Heizbereich 26 und den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch der Stirnfläche 20 ist beispielsweise lediglich ein sogenannter Dichtrahmen 29 angeordnet, so dass der Heizbereich 26 mit möglichst geringem Abstand zu den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch zu der Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass die erste Elektrode 14 in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform überlappt die erste Elektrode 14 mit dem Heizbereich 26 beispielsweise zu mindestens 60 %. Wird mit anderen Worten die erste Elektrode 14 parallel zu dem Schichtaufbau auf das Heizelement 16 projiziert, so befinden sich mindestens 60 % der dem Heizelement 16 zugewandte Fläche der ersten Elektrode 14 auf dem Heizbereich 26 und sind deckungsgleich. Ferner ist das Heizelement 16 so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zusätzlich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist ebenfalls in der Nähe zumindest der Seitenflächen 22, 24 angeordnet.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine zweite Elektrode 30 auf, die in der Ansicht der Figur 1 nicht zu sehen ist, aber beispielsweise der Figur 9 zu entnehmen ist. Die zweite Elektrode 30 ist auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite bzw. Oberfläche des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die erste Elektrode 14, die zweite
Elektrode 30 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Pumpzelle. Die zweite Elektrode 30 ist folglich eine äußere Pumpelektrode. Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode 32 auf. Die erste Elektrode 14, die dritte
Elektrode 32 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Nernstzelle. Die dritte Elektrode 32 ist folglich eine Referenzelektrode. Die erste Elektrode 14 ist eine innere Pump- und Nernstelektrode, d.h. eine Kombination aus innerer Pumpelektrode und Nernstelektrode.
Figur 2 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs, d.h. mit eingeschaltetem Heizelement 16. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, gibt es einen deutlich erkennbaren Bereich 34, in dem die Temperatur am höchsten ist und der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den
Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. Ferner ist der Figur 2 zu entnehmen, dass die erste Elektrode 14 in diesem heißesten Bereich 34 angeordnet ist und sich somit in einem so genannten Hotspot befindet. Figur 3 zeigt die Verteilung der Zugspannung während des Betriebs des Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in Figur 3 zu erkennen ist, ist in Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese
Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen
Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger. Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert.
Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der Figur 4 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der Figur 1. Wie der Darstellung der Figur 4 zu entnehmen ist, ist die erste Elektrode 14 als Ringsegment oder geöffnete Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 ist so angeordnet, dass sie in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt und im vergleich zu der ersten Ausführungsform näher zu der ersten Elektrode 14 angeordnet. Dadurch wird auch die dritte Elektrode 32, d.h. die Referenzelektrode, in den heißesten Bereich 34 verlegt.
Folglich befindet sich auch die Nernstzelle in dem heißesten Bereich 34. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 durch eine nicht gezeigte Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Figur 5 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten
Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der Figur 5 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der Figur 1. Das Sensorelement 10 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 38 in dem Messgasraum. Die Längserstreckungsrichtung 38 ist senkrecht zu der Stirnfläche 20 der Festelektrolytschicht 12. Die erste Elektrode 14 ist wie bei der ersten
Ausführungsform als Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 überlappt nicht mit dem Heizbereich in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen. Der Heizbereich 26 ist bei der in Figur 5 gezeigten dritten Ausführungsform so ausgebildet, dass er in Längserstreckungsrichtung 38 gesehen auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Mit anderen Worten weist die elektrische Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleiner Querschnittsfläche auf als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Die Querschnittsfläche der Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 nimmt somit von der dritten Elektrode 32 in Richtung zu der
Stirnfläche 20 hin zu. Die Zunahme der Querschnittsfläche kann gleichmäßig oder ungleichmäßig, wie beispielsweise gestuft, sein. Eine kleinere Querschnittsfläche bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer größeren Querschnittsfläche, so dass im Bereich der kleineren Querschnittsfläche eine stärkere Erwärmung als im Bereich der größeren Querschnittsfläche auftritt. Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Figur 6 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der Figur 6 zu entnehmen ist, wird durch den Heizbereich 26 wieder der heißeste Bereich 34 gebildet, der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. In diesem heißesten Bereich 34 ist die erste Elektrode 14 angeordnet, so dass sie sich in einem Hotspot des Heizelements 16 befindet.
Figur 7 zeigt die Verteilung der Zugspannung des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der Figur 7 zu entnehmen ist, ist in
Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die
Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger.
Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert.
Figur 8 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die
Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der Figur 8 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der Figur 1. Das Sensorelement 10 gemäß der vierten Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Der Heizbereich 26 ist so ausgebildet, dass er mindestens einen Abschnitt 40 aufweist, der sich von mindestens einer der Seitenflächen 22, 24 in Richtung zu der dritten Elektrode 32 erstreckt. Bei der Ausführungsform der Figur 8 sind zwei Abschnitte 40 vorgesehen, die sich bezüglich der Längserstreckungsrichtung 38 hinweg symmetrisch gegenüberliegen und von der dritten Elektrode 32 teilweise überlappt werden. Bei der vierten Ausführungsform ist somit im vergleich zu der dritten
Ausführungsform der Heizbereich 26 auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements 10 verlegt. Eine größere Länge der Widerstandsbahn bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer kürzeren Länge der
Widerstandsbahn, so dass bei der größeren Länge eine stärkere Erwärmung als bei der kürzeren Länge auftritt Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Figur 9 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer fünften
Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10.
Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Sensorelement 10 weist einen Gaszutrittsweg 42 auf. Der Gaszutrittsweg 42 weist ein Gaszutrittsloch 44 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12, auf der die zweite Elektrode 30 angeordnet ist, ins Innere des Schichtaufbaus 18 erstreckt. In der Festelektrolytschicht 12 kann ein Elektrodenhohlraum 48 vorgesehen sein, der an das Gaszutrittsloch 44 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 48 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 48 ist Teil des Gaszutrittswegs 42 und kann über das Gaszutrittsloch 44 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 44 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12 in das Innere des Schichtaufbaus 18. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 48 von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 12 bezogen auf die Ansicht der Figur 9 begrenzt und zu dem Gaszutrittsloch 44 hin offen. Zwischen dem Gaszutrittsloch 44 und dem Elektrodenhohlraum 48 ist ein Kanal 50 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 42 ist. In diesem Kanal 50 ist eine
Diffusionsbarriere 52 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem
Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 48 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 52 lässt sich ein Grenzstrom einer Pumpzelle 54 einstellen. Die Pumpzelle 54 umfasst die auf der Oberfläche 46 angeordnete zweite Elektrode 30, die erste Elektrode 14, die in dem Elektrodenhohlraum 48 angeordnet ist, und den Bereich der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der zweiten Elektrode 30 und der ersten Elektrode 14 über die Festelektrolytschicht 12 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des
Gaszutrittslochs 44 ist das Heizelement 16 in dem Schichtaufbau 18 angeordnet.
Ferner umfasst der Schichtaufbau 18 die dritte Elektrode 32, die als gepumpte Referenz in einem so genannten Referenzgaskanal 56 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal 56 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d. h. eine künstliche Referenz. Die erste Elektrode 14, die dritte Elektrode 32 und der Teil der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden bilden eine Nernstzelle 58. Mittels der Pumpzelle 54 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 48 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 58 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten
Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 56 oder an der dritten Elektrode 32, die als Referenzelektrode dient, ein
Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die
Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 48 geschlossen werden. Wie in Figur 9 gezeigt, befindet sich im Unterschied zum heutigen Stand der Technik das Gaszutrittsloch 44 zwischen der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58. Insbesondere ist die erste Elektrode 14 näher an der Stirnfläche 20 angeordnet als der Gaszutrittsweg 42. Deshalb kann bei dieser Anordnung von einer invertierten Anordnung des
Gaszutrittswegs 42 gesprochen werden. Da die dritte Elektrode 32 und die vierte
Elektrode 36, die die Pumpelektroden bilden, und die Stirnkanten, die den Übergang von der Stirnfläche 19 in die angrenzenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 14, wie beispielsweise die Oberseite 23, bilden, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die bei einem Fast-Light-Off durch das Heizelement 38 beheizt werden muss, gering. Der wesentliche Anteil der von dem Heizelement 16 erzeugten Wärme wird somit in einem Bereich eingebracht, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen, mit der Pumpzelle 54 überlappt. Das Gaszutrittsloch 44 befindet sich außerhalb dieses Bereichs, wie in Figur 9 gut zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird der Hotspot des Heizelements 16 im Bereich der Pumpzelle 54 angeordnet und ein zweiter Hotspot, der bei herkömmlichen Sensorelementen das Gaszutrittsloch 44 erwärmt, entfällt oder fällt mit dem ersten Hotspot zusammen. Figur 10 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10.
Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die sechste Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der fünften Ausführungsform. Bei dem Sensorelement 10 gemäß der sechsten
Ausführungsform ist eine sandwichförmige Anordnung der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58 realisiert, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Dabei befindet sich die dritte Elektrode 32 näher an der Stirnfläche 20 als die erste Elektrode 14. Die dritte Elektrode 32 befindet sich auch in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen oberhalb der ersten Elektrode 14. Genauer ist die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen angeordnet.
Figur 1 1 zeigt eine Schnittansicht des Sensorelements 10 gemäß der sechsten
Ausführungsform. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Wie in Figur 1 1 zu sehen ist, sind die erste Elektrode 14 und die dritte Elektrode 32 als rechteckige Elektroden in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen ausgebildet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau eines Sensorelements in Form einer Breitband-Lambdasonde sieht die sechste Ausführungsform der Figur 1 1 keine Anordnung der ersten Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 auf einer Ebene vor, sondern auf verschiedenen Ebenen. Lediglich zur Vereinfachung ist die Projektion der ersten Elektrode 14 auf die Ebene der dritten Elektrode 32 gezeigt.
Durch den in den Figuren 10 und 1 1 gezeigten sandwichförmigen Aufbau, bei dem die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 angeordnet ist, kann die dritte Elektrode 32 in Richtung zu der Stirnfläche 20 in den Hotspot des Heizbereichs 26 gerückt werden und so eine schnellere
Widerstandsmessung und Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die
Nernstzelle 58 als Thermometer des Sensorelements 10 dient, kann durch diese
Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich 34 des Heizbereichs 26 gemessen wird und so eine Überhitzung des Sensorelements 10 verhindert werden kann. Dabei kann die Temperaturmessung über die Nernstzelle 58 beibehalten werden statt das Widerstandssignal der Pumpzelle 54 zu verwenden. Im Bereich zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 muss der Referenzgaskanal 56 schmal sein, damit die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 30 und die dritte Elektrode 32 nicht zueinander isoliert werden.
Als weitere mögliche Ausführungsformen lassen sich alle oben gezeigten Sensorelemente 10 mit einem seitlichen oder stirnseitigen Gaszutrittsweg 42 realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere 52 bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des
Sensorelements 10 erhöht werden.

Claims

Ansprüche 1 . Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer
Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (12), mindestens eine erste Elektrode (14) und ein Heizelement (16) zum Erzeugen von Wärme, wobei die Festelektrolytschicht (12), die erste Elektrode (14) und das Heizelement (16) einen Schichtaufbau (18) bilden, wobei die Festelektrolytschicht (12) eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (20) und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau (18) angeordnete
Seitenflächen (22, 24) aufweist, wobei das Heizelement (16) einen Heizbereich (26) und mindestens eine Zuleitungsbahn (28) aufweist, wobei das Heizelement (16) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass der Heizbereich (26) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (14) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass die erste Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.
2. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass mindestens 60 % einer dem Heizelement (16) zugewandten Fläche der ersten Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen mit dem Heizbereich (26) überlappt.
3. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (14) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der
Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist.
4. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Heizelement (16) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass der Heizbereich (26) in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche (20) angeordnet ist.
5. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine zweite Elektrode (30) umfasst, wobei die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (30) und die Festelektrolytschicht (12) eine Pumpzelle (54) bilden, wobei die erste Elektrode (14) im Inneren des
Schichtaufbaus (18) angeordnet ist und die zweite Elektrode (30) auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite (46) des Schichtaufbaus (18) angeordnet ist.
6. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet ist.
7. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) als Ringsegment ausgebildet ist.
8. Sensorelement (10) nach Anspruch 6, wobei die erste Elektrode (14) als
Ringelektrode ausgebildet ist.
9. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine dritte Elektrode (32) umfasst, wobei die erste Elektrode (14), die dritte Elektrode (32) und die Festelektrolytschicht (12) eine Nernstzelle (58) bilden, wobei die dritte Elektrode (32) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass die Nernstzelle (58) von dem Heizbereich (26) erwärmbar ist.
10. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dritte Elektrode (32) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.
1 1 . Sensorelement (10) nach Anspruch 9, wobei der Heizbereich (26) mindestens einen Abschnitt (40) aufweist, der sich von mindestens einer der Seitenflächen (22, 24) in
Richtung zu der dritten Elektrode (32) erstreckt.
12. Sensorelement (10) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Sensorelement (10) in einer Längserstreckungsrichtung (38) in den Messgasraum erstreckt, wobei der Heizbereich (26) so ausgebildet ist, dass er in
Längserstreckungsrichtung (38) gesehen auf Höhe der dritten Elektrode (32) eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode (14).
13. Sensorelement (10) nach Anspruch 9, wobei sich das Sensorelement (10) in einer Längserstreckungsrichtung (38) in den Messgasraum erstreckt, wobei in Längserstreckungsrichtung (38) gesehen die dritte Elektrode (32) näher an der Stirnfläche (20) angeordnet ist als die erste Elektrode (14).
14. Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längserstreckungsrichtung (38) senkrecht zu der Stirnfläche (20) der
Festelektrolytschicht (12) ist.
15. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (10) weiterhin einen Gaszutrittsweg (42) aufweist, wobei die erste Elektrode (14) mittels des Gaszutrittswegs (42) mit dem Messgas beaufschlagbar ist, wobei sich die erste Elektrode (14) zwischen der Stirnfläche (20) der
Festelektrolytschicht (12) und dem Gaszutrittsweg (42) befindet.
16. Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (14) und/oder die dritte Elektrode (32) im Wesentlichen rechteckig in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau (18) ausgebildet sind.
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