DE10157734B4

DE10157734B4 - Gasmeßfühler

Info

Publication number: DE10157734B4
Application number: DE10157734A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wahl; Torsten Dr. Handler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-24
Filing date: 2001-11-24
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2021-11-25
Also published as: WO2003046547A3; JP2005510714A; US20050040040A1; DE10157734A1; WO2003046547A2

Abstract

Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis mindestens einer physikalischen Größe eines Gases, insbesondere zum Nachweis der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement (10), das eine elektrochemische Zelle mit einer ersten Elektrode (31) und einer zweiten Elektrode (32) und mindestens einen die erste und die zweite Elektrode elektrisch verbindenden Festelektrolyten (21, 22, 24) aufweist, wobei die zweite Elektrode (32) in einem ein Referenzgas enthaltenden Referenzgasbereich (25) vorgesehen ist, und wobei der Referenzgasbereich (25) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzgasbereich (25) ein poröses, elektrisch isolierendes Material vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmeßfühler nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein derartiger Gasmeßfühler ist beispielsweise in der DE 100 58 643 A1 beschrieben. Der Gasmeßfühler weist ein Sensorelement mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Festelektrolytkörper auf, die schichtförmig angeordnet sind. Auf dem ersten Festelektrolytkörper ist auf einer Außenfläche des Sensorelements eine erste Elektrode aufgebracht. Auf der der ersten Elektrode gegenüberliegenden Seite des ersten Festelektrolytkörpers ist eine zweite Elektrode vorgesehen. Die zweite Elektrode ist in einem Referenzgasbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytkörper angeordnet. Die erste und die zweite Elektrode sowie der zwischen den Elektroden angeordnete Festelektrolyt bilden eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Nernstzelle. Der Referenzgasbereich, der mit einem porösen Material gefüllt sein kann, enthält ein Referenzgas, beispielsweise Luft. Zur Beheizung des Sensorelements ist zwischen dem zweiten und dem dritten Festelektrolytkörper ein Heizer vorgesehen, der durch eine Heizerisolation von den umgebenden Festelektrolytkörpern getrennt ist.
Weiterhin ist bekannt, die Abmessungen der Festelektrolytkörper so zu wählen, daß der Heizer zentral im Sensorelement liegt. Hierzu ist beispielsweise der erste und der zweite Festelektrolytkörper jeweils gerade halb so dick wie der dritte Festelektrolytkörper.
Um eine zuverlässige Funktion des Sensorelements sicherzustellen, wird die Temperatur des Sensorelements durch den Heizer unabhängig von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise der Temperatur des Abgases, konstant gehalten. Hierzu wird der Heizer durch eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Auswerteelektronik geregelt. Zur Regelung des Heizers wird die Temperatur des Sensorelements bestimmt. Es ist bekannt, hierzu den temperaturabhängigen Innenwiderstand einer elektrochemischen Zelle zu verwenden. In die Eingangsgröße für die Regelung des Heizers geht somit der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle ein, die durch die erste und die zweite Elektrode sowie den zwischen erster und zweiter Elektrode angeordneten Festelektrolyten gebildet wird. Zur Bestimmung des Innenwiderstandes wird durch die Auswerteelektronik eine Spannung, beispielsweise eine Wechselspannung oder Spannungspulse, zwischen erster und zweiter Elektrode angelegt und der resultierende Strom gemessen.
Aus der EP 0 134 709 A1 ist ein Sensorelement mit einer elektrochemischen Zelle bekannt, die eine erste und eine zweite Elektrode sowie einen die erste und die zweite Elektrode elektrisch verbindenden Festelektrolyten umfasst. Die zweite Elektrode ist in einem ein Referenzgas enthaltenden Referenzgasbereich angeordnet. Der Referenzgasbereich ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet und mit einem porösen Festelektrolyten gefüllt, durch den die erste und die zweite Elektrode elektrisch verbunden sind.
Aus der EP 0 281 378 A2 ein Sensorelement bekannt, das eine elektrochemische Zelle mit einer ersten und einer zweiten Elektrode aufweist. Die erste und die zweite Elektrode sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Festelektrolytkörpers angeordnet. Die zweite Elektrode ist in einen Referenzgasraum eingebracht, wobei die zweite Elektrode zwischen dem Referenzgasraum und dem Festelektrolytkörper angeordnet ist.
In der DE 196 52 059 ist ein Sensorelement mit einem Heizer sowie ein Verfahren zur Regelung des Heizers beschrieben. Das Sensorelement ist eine sogenannte Fingersonde mit einem einseitig geschlossenen rohrförmigen Festelektrolytkörper.
Bei dem Sensorelement gemäß dem Stand der Technik ist nachteilig, daß der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode so niedrig ist, daß die temperaturbedingten Änderungen des Innenwiderstandes nicht ausreichend groß sind, um diese mit den beispielsweise in Kraftfahrzeugen üblichen elektronischen Schaltungen mit ausreichender Genauigkeit aufzulösen. Ferner ist die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes klein im Vergleich zu den fertigungstechnisch bedingten Schwankungen. Damit ist die Regelung des Heizers mit einem großen Fehler verbunden.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmeßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Anordnung des Referenzgasbereichs innerhalb der elektrochemischen Zelle, also zwischen erster und zweiter Elektrode, der Innenwiderstand erhöht und die Kennlinie des Innenwiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur verbessert wird, so daß eine präzise Regelung des Heizers ermöglicht wird. Die Kennlinie liefert aufgrund einer höheren Steigung ein besseres Auflösungsvermögen. Damit ist der Einsatz von einfacheren Schaltungen sowie von kostengünstigen Analog-Digital-Wandlern ermöglicht.
Wird der Heizer nicht über den Innenwiderstand, sondern über andere Kenngrößen geregelt, so kann durch die verbesserte Auflösung die Temperatur des Sensorelements genauer überwacht werden. Der höhere Innenwiderstand kann auch aus anderen schaltungstechnischen Gründen erwünscht sein.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gasmeßfühlers möglich.
Eine präzise Regelung des Heizers läßt sich erreichen, wenn der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bei einer Temperatur des Sensorelements von 600 Grad Celsius im Bereich von 400 bis 1200 Ohm, vorzugsweise bei 800 Ohm, und bei einer Temperatur des Sensorelements von 700 Grad Celsius im Bereich von 100 bis 300 Ohm, vorzugsweise bei 150 bis 200 Ohm, liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Breite der zweiten Elektrode, also die Ausdehnung der zweiten Elektrode in ihrer Schichtebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements, kleiner als die Breite des Referenzgasbereichs. Der Referenzgasbereich ist zwischen einem ersten und einem zweiten Festelektrolytkörper angeordnet und seitlich von einer Festelektrolytschicht umgeben. Die erste Elektrode ist auf einer Außenfläche des ersten Festelektrolytkörpers und die zweite Elektrode innerhalb des Referenzgasbereichs auf dem zweiten Festelektrolytkörper aufgebracht. Die zweite Elektrode steht also nur mit dem zweiten Festelektrolytkörper in direkten Kontakt, nicht jedoch mit der Festelektrolytschicht oder dem ersten Festelektrolytkörper. Somit ist die zweite Elektrode auch nur über den zweiten Festelektrolytkörper mit der Festelektrolytschicht, dem ersten Festelektrolytkörper und schließlich der ersten Elektrode elektrisch verbunden.
Ist eine Zuleitung zur zweiten Elektrode, durch die die zweite Elektrode mit einer auf dem der zweiten Elektrode abgewandten Ende des Sensorelements gelegenen Kontaktfläche elektrisch verbunden ist, angrenzend an den Referenzgasbereich angeordnet, so ist die Zuleitung zur zweiten Elektrode durch den Referenzgasbereich elektrisch abgeschirmt, wodurch Einkopplungen in die Zuleitung zur zweiten Elektrode vermindert werden.
Vorteilhaft wird der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode durch eine Verringerung der Fläche der ersten Elektrode gegenüber der Fläche der zweiten Elektrode weiter erhöht.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt einen Querschnitt eines Sensorelements eines erfindungsgemäßen Gasmeßfühlers und
2 zeigt die Abhängigkeit des Innenwiderstandes von der Temperatur für ein erfindungsgemäßes Sensorelement und für ein Sensorelement nach dem Stand der Technik.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement 10 mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Festelektrolytkörper 21, 22, 23 aus einem ionenleitenden Material. Auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 ist auf der Außenfläche des Sensorelements 10 eine erste Elektrode 31 angeordnet, die einem Meßgas ausgesetzt ist. Die erste Elektrode 31 ist von einer porösen Schutzschicht 26 überdeckt. Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden Seite des ersten Festelektrolytkörpers 21 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytkörper 21, 22 ein Referenzgasbereich 25 angeordnet, der mit einem elektrisch isolierenden, porösen Material, beispielsweise porösem Aluminiumoxid, gefüllt ist. Der Referenzgasbereich 25 enthält ein Referenzgas, beispielsweise Atmosphärenluft, erstreckt sich entlang der Längsachse des Sensorelements 10 und steht auf dem der Atmosphärenluft ausgesetzten Ende des Sensorelements 10 (nicht dargestellt) mit der Atmosphärenluft in Kontakt. Der Referenzgasbereich 25 ist seitlich von einer Festelektrolytschicht 24 umgeben.
Auf dem zweiten Festelektrolytkörper 22 ist im Referenzgasbereich 25 eine zweite Elektrode 32 vorgesehen. Damit ist die zweite Elektrode 32 auf der dem zweiten Festelektrolytkörper 22 zugewandten Seite des Referenzgasbereichs 25 angeordnet. Die erste Elektrode 31 und die zweite Elektrode 32 sind durch den ersten und zweiten Festelektrolytkörper 21, 22 sowie die Festelektrolytschicht 24 elektrisch verbunden und werden durch eine äußere Beschaltung als elektrochemische Zelle (Nernstzelle) betrieben. Die Breite der zweiten Elektrode 32, also die in 1 horizontale Ausdehnung der zweiten Elektrode 32 in der dargestellten Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements 10, ist geringer als die Breite des Referenzgasbereichs 25. Damit liegt die zweite Elektrode 32 so im Referenzgasbereich 25, daß die zweite Elektrode nicht in direktem Kontakt zur Festelektrolytschicht 24 steht und damit auch nicht direkt, sondern nur über den zweiten Festelektrolytkörper 22 mit der Festelektrolytschicht 24 elektrisch verbunden ist.
Zwischen dem zweiten Festelektrolytkörper 22 und dem dritten Festelektrolytkörper 23 ist ein Heizer 35 vorgesehen, der durch eine Heizerisolation 36 von den umgebenden Festelektrolytkörpern 22, 23 elektrisch isoliert ist. Der Heizer 35 wird seitlich von einem Dichtrahmen 37 umgeben. Die Dicke des dritten Festelektrolytkörpers 23 ist ungefähr doppelt so groß wie die jeweiligen Dicken des ersten und des zweiten Festelektrolytkörpers 21, 22. Damit liegt der Heizer 35 mittig im Sensorelement 10 (in 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt).
Der Referenzgasbereich 25 und die Festelektrolytschicht 24 sowie die Elektroden 31, 32 und der Heizer 35 mit Heizerisolation 36 und Dichtrahmen 37 werden hergestellt, indem entsprechende Funktionsschichten durch Siebdruck auf sogenannte Grünkörper (Festelektrolytkörper vor dem Sintern) gedruckt werden. Die bedruckten Grünkörper werden zusammenlaminiert und gesintert.
Der Referenzgasbereich 25 kann in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung auch als Hohlraum ausgebildet sein oder nur teilweise mit einem porösen Material gefüllt sein.
In 2 ist die Abhängigkeit des Innenwiderstandes (Ri) von der Temperatur des Sensorelements (T) dargestellt. Die mit 1 bezeichnete Kurve gibt den Verlauf des Innenwiderstandes des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wieder. Die mit 2 bezeichnete Kurve entspricht dem Verlauf des Innenwiderstandes für das im Stand der Technik beschriebene Sensorelement, bei dem die erste und die zweite Elektrode auf gegenüberliegenden Seiten direkt auf dem ersten Festelektrolytkörper angeordnet ist, bei dem also die zweite Elektrode auf der dem ersten Festelektrolytkörper zugewandten Seite des Referenzgasbereichs vorgesehen ist. Es ist deutlich zu erkennen, daß der Innenwiderstand eines Sensorelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung (1) deutlich höher ist und auch eine größere negative Steigung aufweist als bei einem Sensorelement nach dem Stand der Technik, so daß eine genauere Zuordnung von Innenwiderstand zu Temperatur möglich ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt bei einer Temperatur des Sensorelements 10 von 600 Grad Celsius der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) 700 Ohm. Bei einer Temperatur des Sensorelements 10 von 700 Grad Celsius liegt der Innenwiderstand bei 175 Ohm.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie läßt sich beispielsweise auch auf ein Sensorelement übertragen, bei dem die elektrochemische Zelle als Pumpzelle betrieben wird. Es ist ebenso denkbar, daß das Sensorelement mehrere elektrochemische Zellen aufweist, von denen eine oder mehrere, insbesondere eine elektrochemische Zelle, deren Innenwiderstand zur Temperaturmessung beziehungsweise Temperaturregelung herangezogen wird, oder die als Nernstzelle betrieben wird, die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.

Claims

Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis mindestens einer physikalischen Größe eines Gases, insbesondere zum Nachweis der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement (10), das eine elektrochemische Zelle mit einer ersten Elektrode (31) und einer zweiten Elektrode (32) und mindestens einen die erste und die zweite Elektrode elektrisch verbindenden Festelektrolyten (21, 22, 24) aufweist, wobei die zweite Elektrode (32) in einem ein Referenzgas enthaltenden Referenzgasbereich (25) vorgesehen ist, und wobei der Referenzgasbereich (25) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzgasbereich (25) ein poröses, elektrisch isolierendes Material vorgesehen ist.
Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) bei einer Temperatur des Sensorelements (10) von 600 Grad Celsius im Bereich von 400 bis 1200 Ohm, vorzugsweise zwischen 750 und 850 Ohm, und bei einer Temperatur des Sensorelements (10) von 700 Grad Celsius im Bereich von 100 bis 300 Ohm, vorzugsweise zwischen 150 und 200 Ohm, liegt.
Gasmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) einen ersten, einen zweiten und einen dritten Festelektrolytkörper (21, 22, 23) aufweist, wobei der erste Festelektrolytkörper (21) zwischen der ersten Elektrode (31) und dem Referenzgasbereich (25), der zweite Festelektrolytkörper (22) zwischen dem Referenzgasbereich (25) beziehungsweise der zweiten Elektrode (32) und einem Heizer (35), und der dritte Festelektrolytkörper (23) auf der dem ersten und zweiten Festelektrolytkörper (21, 22) abgewandten Seite des Heizers (35) vorgesehen ist.
Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzgasbereich (25) poröses Aluminiumoxid vorgesehen ist.
Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Regelung eines Heizers (35) vorgesehen ist, wobei in die Eingangsgröße zur Regelung des Heizers (35) der Innenwiderstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) eingeht.
Gasmeßfühler nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (35), der durch eine Heizerisolation (36) von dem umgebenden Festelektrolytkörpern (22, 23) elektrisch isoliert ist, mittig im Sensorelement (10) angeordnet ist.
Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zweiten Elektrode (32) kleiner ist als die Breite des Referenzgasbereichs (25).
Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuleitung zur zweiten Elektrode (32), durch die die zweite Elektrode (32) mit einer auf der der zweiten Elektrode (32) abgewandten Seite des Sensorelements (10) gelegenen Kontaktfläche elektrisch verbunden ist, an den entlang der Längsachse des Sensorelements (10) angeordneten Referenzgasbereich (25) grenzt.
Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Projektion der ersten Elektrode (31) auf die Schichtebene der zweiten Elektrode (32) zumindest bereichsweise auf der zweiten Elektrode (32) liegt.