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DE102005056522A1 - Oxygen concentration sensor for use in internal combustion engine, has external pump electrode shielded by diffusion barrier, with greater surface area than internal pump electrode - Google Patents

Oxygen concentration sensor for use in internal combustion engine, has external pump electrode shielded by diffusion barrier, with greater surface area than internal pump electrode Download PDF

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Publication number
DE102005056522A1
DE102005056522A1 DE200510056522 DE102005056522A DE102005056522A1 DE 102005056522 A1 DE102005056522 A1 DE 102005056522A1 DE 200510056522 DE200510056522 DE 200510056522 DE 102005056522 A DE102005056522 A DE 102005056522A DE 102005056522 A1 DE102005056522 A1 DE 102005056522A1
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DE
Germany
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electrode
sensor element
element according
gas
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200510056522
Other languages
German (de)
Inventor
Heiner Scheer
Harald Dr. Guenschel
Lothar Diehl
Marcus Scheffel
Thomas Seiler
Thomas Dotterweich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
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
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Priority to US11/288,852 priority patent/US20060137979A1/en
Priority to JP2005346835A priority patent/JP2006153885A/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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Abstract

A pump cell pumps oxygen in measurement space. The diffusion resistance determined by porosity and layer thickness of a diffusion barrier (27) of external pump electrode (23) whose surface area is greater than internal pump electrode (20), is selected such that resulting pump current flowing between two electrodes is same as hypothetical pump current flowing between electrodes for preset pump voltage applied to electrodes. An independent claim is also included for method for manufacturing the sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a sensor element for the determination of gas components in gas mixtures, in particular for determining the oxygen concentration in exhaust gases of internal combustion engines, and a method for its Production according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of technology

Es sind Sensorelemente zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren bekannt, die aus einem planaren Festelektrolytkörper gebildet sind und eine elektrochemische Pumpzelle sowie eine mit dieser zusammenwirkende elektrochemische Nernst- oder Konzentrationszelle aufweisen. Derartige Sauerstoffsensoren werden auch als Breitband-Lambdasonden bezeichnet.It are sensor elements for determining the oxygen concentration in Exhaust gases of internal combustion engines known to be of a planar Solid electrolyte body are formed and an electrochemical pumping cell and a with this cooperative electrochemical Nernst or concentration cell exhibit. Such oxygen sensors are also called broadband lambda probes designated.

Mit Hilfe der Elektroden der Pumpzelle wird aus einem Messgasraum des Sensors Sauerstoff in den Abgasstrom gepumpt oder vom Abgasstrom in den Messgasraum. Dazu ist eine der Pumpelektroden im Messgasraum und die andere auf einer dem Abgasstrom ausgesetzten Außenfläche des Sensorelements aufgebracht. Die Elektroden der Konzentrationszelle sind so angeordnet, dass eine sich ebenfalls im Messgasraum befindet, die andere dagegen in einem üblicherweise mit Luft gefüllten Referenzgaskanal. Diese Anordnung ermöglicht den direkten Vergleich des Sauerstoffpotentials der Messelektrode im Messgasraum mit dem Referenz-Sauerstoffpotential der Referenzelektrode in Form einer an der Konzentrationszelle anliegenden, messbaren Spannung. Messtechnisch wird die an die Elektroden der Pumpzelle anzulegende Pumpspannung so gewählt, dass an der Konzentrationszelle ein vorbestimmter Spannungswert eingehalten wird. Als ein der Sauerstoffkonzentration proportionales Messsignal des Sensorelements wird der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom herangezogen.With Help the electrodes of the pump cell is from a sample gas chamber of the Sensors oxygen is pumped into the exhaust stream or from the exhaust stream into the sample gas chamber. For this purpose one of the pumping electrodes is in the measuring gas chamber and the other on an outer surface exposed to the exhaust gas stream Applied sensor element. The electrodes of the concentration cell are arranged so that one is also located in the sample gas space, the other hand, in a usual way filled with air Reference gas channel. This arrangement allows direct comparison the oxygen potential of the measuring electrode in the measuring gas chamber with the Reference oxygen potential the reference electrode in the form of a voltage applied to the concentration cell, measurable voltage. Metrology is the to the electrodes of the pumping cell to be applied pump voltage selected so that adhered to the concentration cell, a predetermined voltage value becomes. As a measurement signal proportional to the oxygen concentration of the sensor element becomes the pumping current flowing between the electrodes of the pumping cell used.

Diese Steuerung bewirkt, dass bei Lambdawerten < 1 im Gasgemisch Sauerstoff von der äußeren, auf einer Großfläche des Sensorelements angeordneten Pumpelektrode zu der inneren, in einem Messgasraum im Inneren des Sensorelements vorgesehenen Pumpelektrode transportiert wird und bei Lambdawerten > 1 Sauerstoff von der inneren zur äußeren Pumpelektrode. Es kommt somit bei Lambda = 1 zu einer Umpolung der Pumpelektroden und zu einer kurzzeitigen Ladungsverschiebung innerhalb des ionenleitenden Festelektrolytmaterials, wodurch eine Spannung an der die Pumpzelle steuernden Konzentrationszelle induziert wird. Neben der Umpolung der extern angelegten Pumpspannung baut sich beim Übergang von Lambdawerten > 1 zu Lambdawerten < 1 ein elektrochemisches Potential bzw. ein Nernstspannung zwischen äußerer und innerer Pumpelektrode auf, die beim Übergang von Lambdawerten < 1 zu Lambdawerten > 1 wieder verschwindet. Diese Vorgänge führen zu einer kurzzeitigen Störung der Steuerung der elektrochemischen Pumpzelle und somit zu einer Gegenschwing- oder Überschwingerscheinung des Messsignals des Sensorelements bei sprunghaften Änderungen der Zusammensetzung des Gasgemischs. Dies wird als sogenannte Lambda = 1-Welligkeit bezeichnet.These Control causes oxygen values from the outside, at lambda values <1 in the gas mixture a large area of the Sensor element arranged pump electrode to the inner, in a sample gas space transported in the interior of the sensor element provided pumping electrode and at lambda values> 1 Oxygen from the inner to the outer pumping electrode. Thus Lambda = 1 leads to a polarity reversal of the pumping electrodes and to a momentary charge shift within the ion-conducting Solid electrolyte material, causing a voltage across the pumping cell controlling concentration cell is induced. In addition to the polarity reversal the externally applied pump voltage builds up during the transition Lambda values> 1 to lambda values <1 an electrochemical potential or a Nernst voltage between outer and inner pump electrode, which disappears when lambda values <1 to lambda values> 1. These processes to lead to a short-term disturbance the control of the electrochemical pumping cell and thus to a Counteroscillation or overshoot appearance the measuring signal of the sensor element in case of sudden changes the composition of the gas mixture. This is called lambda = 1-wave referred to.

Zur Lösung dieses Problems wurde beispielsweise in der DE 198 05 023 A1 vorgeschlagen, die Schutzschicht, die die äußere Pumpelektrode gegenüber dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt, zweischichtig auszuführen, wobei die dabei resultierende Schutzschicht eine größere Schichtdicke und somit einen höheren Diffusionswiderstand gegenüber eindiffundierenden Gasen aufweist. Auf diese Weise tritt die Umpolung an der äußeren Pumpelektrode langsamer ein und es ist eine Dämpfung der Lambda = 1-Welligkeit zu beobachten. Die Verwendung einer dichteren Schutzschicht führt jedoch zu einem erhöhten Pumpspannungsbedarf, der einem Langzeitbetrieb des Sensorelements weiter ansteigen und so die Ansteuerungselektronik des Sensorelements überfordern kann.To solve this problem, for example, in the DE 198 05 023 A1 proposed, the protective layer which shields the outer pumping electrode relative to the gas mixture to be determined, two layers, wherein the resulting protective layer has a greater layer thickness and thus a higher diffusion resistance to diffusing gases. In this way, the polarity reversal occurs at the outer pump electrode slower and it is observed an attenuation of the lambda = 1 ripple. The use of a denser protective layer, however, leads to an increased pumping voltage requirement, which further increases the long-term operation of the sensor element and thus can overstretch the control electronics of the sensor element.

Weiterhin ist es aus der DE 101 51 328 A1 bekannt, zur Lösung des Problems der Lambda =1-Welligkeit die Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode im Vergleich zu der der inneren Pumpelektrode deutlich zu verkleinern und auf diese Weise die Zahl der Ladungsträger im Bereich der äußeren Pumpelektrode zu vermindern. Eine kleinere Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode ist jedoch unerwünscht, da auf diese Weise die Auswirkungen lokaler Korrosionserscheinungen an dieser Elektrode messtechnisch stärker ins Gewicht fallen und ein höherer Pumpspannungsbedarf resultiert.Furthermore, it is from the DE 101 51 328 A1 In order to solve the problem of the lambda = 1 ripple, it is known that the surface area of the outer pumping electrode is significantly reduced in comparison to that of the inner pumping electrode, thereby reducing the number of charge carriers in the region of the outer pumping electrode. However, a smaller areal extent of the outer pumping electrode is undesirable because in this way the effects of local corrosion phenomena on this electrode are more significant in terms of measurement and result in a higher pumping voltage requirement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement bereitzustellen, das bei dynamischen Veränderungen der Zusammensetzung eines Gasgemischs im wesentlichen keine Lambda = 1-Welligkeit zeigt und dennoch die im Stand der Technik auftretenden Nachteile vermeidettask the present invention is to provide a sensor element that with dynamic changes the composition of a gas mixture substantially no lambda = 1-ripple shows and still occurring in the prior art Disadvantages avoids

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Sensorelement und das erfindungsgemäße Verfahren mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Bestimmung von Gaskomponenten eines Gasgemischs auch bei sich verändernder Zusammensetzung des Gasgemischs unter Vermeidung des Auftretens von Signal-Überschwingern (Lambda = 1-Welligkeit) ermöglicht wird. Gleichzeitig werden exakte Messsignale erhalten und eine hohe Konosionsbeständigkeit des Sensorelements erreicht. Dabei ist die Flächenausdehnung einer äußeren Pumpelektrode des Sensorelements größer als die einer inneren Pumpelektrode ausgeführt und die äußere Pumpelektrode mittels einer Diffusionsbarriere gegenüber einem zu der äußeren Pumpelektrode diffundierenden Gasgemisch abgeschirmt, wobei der Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen, an die äußere und die innere Pumpelektrode angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Pumpelektroden fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Pumpelektroden identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Großflächen aufweisen würden.The sensor element according to the invention and the method according to the invention with the respective characterizing features of the independent claims have the advantage that the determination of gas components of a gas mixture even with changing composition of the gas mixture while avoiding the occurrence of signal overshoots (lambda = 1-ripple) is possible , At the same time exact measuring signals are obtained and a high corrosion resistance of the sensor achieved. In this case, the surface area of an outer pumping electrode of the sensor element is made larger than that of an inner pumping electrode and the outer pumping electrode is shielded by means of a diffusion barrier with respect to a gas mixture diffusing to the outer pumping electrode, wherein the diffusion resistance of the diffusion barrier is selected such that at a given, to the outer and the pumping voltage applied to the inner pumping electrode substantially the same pumping current flowing between the pumping electrodes results as it would occur if both pumping electrodes had identically sized large areas exposed to the gas mixture.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensorelements bzw. Verfahrens möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements in the specified independent claims Sensor element or method possible.

So ist es von Vorteil, wenn die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der äußeren Pumpelektrode 1,5 bis 6 mal so groß ist wie die der inneren Pumpelektrode.So It is advantageous if the exposed to the gas mixture large area of the outer pumping electrode 1.5 to 6 times that size like the inner pump electrode.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Diffusionsbaniere als poröse keramische Schicht aus Zirkondioxid ausgeführt ist, da auf diese Weise die Diffusionsbaniere kostengünstig und langzeitstabil ausgeführt werden kann und gleichzeitig einen Beitrag zur ionenleitfähigen Anbindung der äußeren Pumpelektroden an das umgebende Festelektrolytmaterial leistet.Farther is advantageous if the diffusion barrier as a porous ceramic Layer made of zirconium dioxide is because in this way the diffusion banister inexpensive and be carried out long-term stable can and at the same time contribute to the ion-conductive connection the outer pumping electrodes to the surrounding solid electrolyte material.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der äußeren Pumpelektrode eine Ausdehnung von 6 bis 10 mm2 auf.In a further advantageous embodiment, the large surface area of the outer pumping electrode exposed to the gas mixture has an extent of 6 to 10 mm 2 .

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Sensorelement ein messgasseitiges Ende und ein halterungsseitiges Ende, wobei die Ausdehnung der dem Gasgemisch ausgesetzten Großfläche der äußeren Pumpelektrode in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements zunimmt. Auf diese Weise wird bei üblichen Sensorelementen eine möglichst große Distanz zwischen dem Flächenschwerpunkt der äußeren Pumpelektrode und einer in das Sensorelement integrierten Referenzelektrode realisiert.In a particularly advantageous embodiment of the present invention Invention, the sensor element comprises a Meßgasseitiges end and a holder-side end, wherein the expansion of the gas mixture exposed large area of the outer pumping electrode increases in the direction of the measuring gas side end of the sensor element. In this way, at usual Sensor elements one possible size Distance between the centroid the outer pumping electrode and implemented in the sensor element integrated reference electrode.

Vorzugsweise ist auf der äußeren Pumpelektrode des Sensorelements ein Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum ist dabei an der Seite des äußeren Pumpelements angeordnet, welche von der inneren Pumpelektrode abgewandt ist. Das Vorsehen des Hohlraums ermöglicht es, dass der Gaswechsel noch langsamer an der äußeren Pumpelektrode ankommen. Die Hohlkammer bildet dabei ein zusätzliches Reservoir, das die Wechsel weiter verlangsamt. Hierdurch wird das Auftreten von Signal-Überschwingern (Lambda = 1-Welligkeit) weiter reduziert. Insbesondere in Kombination mit der vergrößerten Fläche der äußeren Pumpelektrode werden die Reaktionen der Pumpzelle auf dynamische Druckänderungen reduziert. Die vergrößerte äußere Pumpelektrode filtert somit die dynamische Druckabhängigkeit. Somit kann die Dynamik der Sonde Lambda-unabhängig werden. Ferner bleibt ein Pumpspannungsbedarf über die gesamte Lebensdauer des Sensorelements klein, wodurch insbesondere die Gesamtlebensdauer des Sensorelements vergrößert werden kann.Preferably is on the outer pump electrode arranged a cavity of the sensor element. The cavity is here on the side of the outer pumping element arranged, which faces away from the inner pumping electrode. The provision of the cavity allows it that the gas exchange arrive even slower at the outer pumping electrode. The hollow chamber forms an additional reservoir that the Change slows down further. As a result, the occurrence of signal overshoots (lambda = 1-ripple) further reduced. Especially in combination with the enlarged area of the outer pumping electrode become the reactions of the pump cell to dynamic pressure changes reduced. The enlarged outer pump electrode thus filters the dynamic pressure dependence. Thus, the dynamics the probe become lambda-independent. Furthermore, a pumping voltage requirement remains over the entire service life of the sensor element small, which in particular the overall life of the sensor element can be increased can.

Vorzugsweise ist der Hohlraum mit einem porösen Material gefüllt, welches eine höhere Porosität als eine Porosität der Diffusionsbaniere aufweist. Der Hohlraum kann somit alternativ vollständig hohl sein oder teilweise oder vollständig mit einem porösen Material hoher Porosität gefüllt sein.Preferably is the cavity with a porous Material filled, which is a higher one porosity as a porosity the diffusion banister has. The cavity can thus alternatively Completely be hollow or partially or completely with a porous material high porosity filled be.

Weiter bevorzugt ist der Hohlraum über der gesamten Fläche der äußeren Pumpelektrode gebildet.Further Preferably, the cavity is over the entire area the outer pumping electrode educated.

Der Hohlraum über der äußeren Pumpelektrode weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 μm bis 50 μm, insbesondere 15 μm auf.Of the Cavity over the outer pumping electrode preferably has a thickness between 5 microns to 50 microns, in particular 15 microns.

Die über dem Hohlraum angeordnete Diffusionsbaniere weist bevorzugt eine Dichte derart auf, dass bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 mbar ein Grenzstrom zwischen 1 μA bis 500 μA, bevorzugt 10 μA bis 100 μA, weiter bevorzugt 20 μA bis 45 μA, zwischen der äußeren und inneren Pumpelektrode auftritt.The above the Cavity arranged diffusion barrier preferably has a density such that at an oxygen partial pressure of 0.5 mbar Limiting current between 1 μA up to 500 μA, preferably 10 μA up to 100 μA, more preferably 20 μA up to 45 μA, between the outer and inner pumping electrode occurs.

Vorzugsweise umfasst die Diffusionsbarriere eine gasdichte Schicht. Dadurch wird ein Diffusionsweg verlängert und ein Gaszutritt zur äußeren Pumpelektrode auf die seitlichen Bereiche beschränkt. Die gasdichte Schicht ist vorzugsweise aus ZrO2 oder aus Al2O3 hergestellt.Preferably, the diffusion barrier comprises a gas-tight layer. As a result, a diffusion path is lengthened and gas access to the outer pumping electrode is restricted to the lateral areas. The gas-tight layer is preferably made of ZrO 2 or Al 2 O 3 .

Weiter bevorzugt ist eine Isolation einer Zuleitung zur äußeren Pumpelektrode in Richtung der Anschlusskontakte der Zuleitung von der äußeren Pumpelektrode weg verschoben. Die Isolation ist dabei insbesondere zwischen 100 μm bis 2000 μm, insbesondere 350 μm in Richtung der Anschlusskontakte verschoben. Hierdurch ist es möglich, bei der Auslegung des Sensorelements einen zusätzlichen Freiheitsgrad zu erreichen, um dadurch insbesondere ein Optimum zwischen dem unerwünschten Auftreten von Signal-Überschwingern (Lambda = 1-Welligkeit) und der Reaktion auf dynamische Druckänderungen zu ermöglichen.Further an insulation of a feed line to the outer pumping electrode is preferred in the direction of the connection contacts of the supply line from the outer pumping electrode moved away. The insulation is in particular between 100 microns to 2000 microns, in particular 350 μm in Direction of the connection contacts shifted. This makes it possible at the design of the sensor element to achieve an additional degree of freedom, in order thereby in particular an optimum between the unwanted Occurrence of signal overshoots (Lambda = 1-ripple) and to allow the reaction to dynamic pressure changes.

Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung bei Sensorelementen verwendet werden kann, welche eine ringförmige oder lineare oder anders aufgebaute Diffusionsbarrieregeometrie aufweisen.It should be noted that the present invention is used with sensor elements may have an annular or linear or otherwise constructed diffusion barrier geometry.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Längsschnitt durch ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 eine Aufsicht auf die Großfläche des Sensorelements gemäß 1, 3 eine Aufsicht auf die Großfläche eines Sensorelements gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, 4 ein Längsschnitt durch ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 5 eine Aufsicht auf das in 4 gezeigte Sensorelement, und 6 einen Längsschnitt durch ein Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it 1 a longitudinal section through a sensor element according to a first embodiment, 2 a plan view of the large surface of the sensor element according to 1 . 3 a plan view of the large area of a sensor element according to a variant of the first embodiment, 4 a longitudinal section through a sensor element according to a second embodiment, 5 a supervision on the in 4 shown sensor element, and 6 a longitudinal section through a sensor element according to a third embodiment of the invention.

Ausführungsbeispieleembodiments

1 und 2 zeigen einen prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit 10 ist ein planares Sensorelement eines elektrochemischen Gassensors bezeichnet, das beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c, 11d und 11e aufweist. Die Festelektrolytschichten 11a, 11c und 11e werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2. 1 and 2 show a basic structure of a first embodiment of the present invention. With 10 is a planar sensor element of an electrochemical gas sensor referred to, for example, a plurality of oxygen ion-conducting solid electrolyte layers 11a . 11b . 11c . 11d and 11e having. The solid electrolyte layers 11a . 11c and 11e are carried out as ceramic films and form a planar ceramic body. They consist of an oxygen ion-conducting solid electrolyte material, such as ZrO 2 stabilized or partially stabilized with Y 2 O 3 .

Die Festelektrolytschichten 11b und 11d wird dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11c und 11d bestehen.The solid electrolyte layers 11b and 11d in contrast, by means of screen printing of a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layer 11a generated. As a ceramic component of the pasty material preferably the same solid electrolyte material is used, from which also the solid electrolyte layers 11a . 11c and 11d consist.

Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit den Festelektrolytschichten 11b, 11d und mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.The integrated shape of the planar ceramic body of the sensor element 10 is laminated by laminating with the solid electrolyte layers 11b . 11d and printed with functional layers printed ceramic films and then sintering the laminated structure in a conventional manner.

Das Sensorelement 10 beinhaltet einen inneren Gasraum in Form des Messgasraums 13. Dieser ist beispielsweise kreisringförmig ausgeführt und steht über eine Öffnung 25 mit der Gasgemischatmosphäre in Verbindung. Die Öffnung 25 ist vorzugsweise in der Festelektrolytschicht 11a senkrecht zur Oberfläche des Sensorelements 10 angebracht.The sensor element 10 includes an internal gas space in the form of the sample gas space 13 , This is performed, for example, circular and is about an opening 25 with the mixed gas atmosphere in combination. The opening 25 is preferably in the solid electrolyte layer 11a perpendicular to the surface of the sensor element 10 appropriate.

Auf der dem Gasgemisch unmittelbar zugewandten Großfläche des Sensorelements 10 ist auf der Festelektrolytschicht 11a eine äußere Pumpelektrode 23 angeordnet, die mit einer porösen Schutzschicht 26 bedeckt ist und die vorzugsweise kreisringförmig um die Öffnung 25 herum angeordnet ist. Auf der dem Messgasraum 13 zugewandten Seite der Festelektrolytschicht 11a befindet sich eine dazugehörige innere Pumpelektrode 20, die angepasst an die kreisringförmige Geometrie des Messgasraums 13 ebenfalls kreisringförmig ausgeführt ist. Beide Pumpelektroden 20, 23 bilden zusammen eine elektrochemische Pumpzelle.On the gas mixture directly facing large area of the sensor element 10 is on the solid electrolyte layer 11a an outer pumping electrode 23 arranged with a porous protective layer 26 is covered and preferably annular around the opening 25 is arranged around. On the the measuring gas chamber 13 facing side of the solid electrolyte layer 11a there is an associated inner pumping electrode 20 adapted to the annular geometry of the sample gas space 13 also executed annular. Both pumping electrodes 20 . 23 together form an electrochemical pumping cell.

Gegenüber der inneren Pumpelektrode 20 befindet sich im Messgasraum 13 eine Messelektrode 21. Auch diese ist beispielsweise kreisringförmig ausgeführt. Eine dazugehörige Referenzelektrode 22 ist in einem Referenzgaskanal 15 angeordnet. Dieser ist vorzugsweise in die gleiche Festelektrolytschicht 11b integriert wie der Messgasraum 13 und beispielsweise mit einem porösen keramischen Material ausgefüllt. Alternativ kann der Referenzgaskanal 15 auch als mit einer Referenzgasatmosphäre in Kontakt stehender Hohlraum ausgeführt sein. Mess- und Referenzelektrode 21, 22 bilden zusammen eine Nernst- bzw. Konzentrationszelle.Opposite the inner pump electrode 20 is located in the sample gas chamber 13 a measuring electrode 21 , These, for example, is circular. An associated reference electrode 22 is in a reference gas channel 15 arranged. This is preferably in the same solid electrolyte layer 11b integrated like the sample gas chamber 13 and filled for example with a porous ceramic material. Alternatively, the reference gas channel 15 also be designed as standing in contact with a reference gas atmosphere cavity. Measuring and reference electrode 21 . 22 together form a Nernst or concentration cell.

Innerhalb des Messgasraums 13 ist in Diffusionsrichtung des Gasgemischs der inneren Pumpelektrode 20 und der Messelektrode 21 eine poröse Diffusionsbaniere 27 vorgelagert. Die poröse Diffusionsbarriere 27 bildet einen Diffusionswiderstand bezüglich des zu den Elektroden 20, 21 diffundierenden Gasgemischs aus. Im Falle eines mit einem porösen keramischen Materials gefüllten Referenzgaskanals 15 besteht die Diffusionsbarriere 27 und die Füllung des Referenzgaskanals 15 beispielsweise aus dem gleichen Material, um eine rationelle Herstellung in einem Prozessschritt zu ermöglichen.Within the sample gas chamber 13 is in the diffusion direction of the gas mixture of the inner pumping electrode 20 and the measuring electrode 21 a porous diffusion banister 27 upstream. The porous diffusion barrier 27 forms a diffusion resistance with respect to the electrodes 20 . 21 diffusing gas mixture. In the case of a reference gas channel filled with a porous ceramic material 15 exists the diffusion barrier 27 and the filling of the reference gas channel 15 for example, from the same material to allow a rational production in one process step.

Die äußere Pumpelektrode 23 wird durch eine in 2 dargestellte Leiterbahn 30 kontaktiert, die auf der Oberfläche der Festelektrolytschicht 11a aufgebracht ist. Zur elektrischen Isolierung befindet sich zwischen der Festelektrolytschicht 11a und der Leiterbahn 30 eine beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgeführte Isolierschicht 32. Die Kontaktierung der Messelektrode 21 und der Referenzelektrode 22 erfolgt ebenfalls über Leiterbahnen, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind und die zwischen den Festelektrolytschichten 11b und 11c geführt und über nicht dargestellte Durchkontaktierungen mit der Großfläche des Sensorelements verbunden sind.The outer pump electrode 23 is replaced by an in 2 illustrated trace 30 contacted on the surface of the solid electrolyte layer 11a is applied. For electrical insulation is located between the solid electrolyte layer 11a and the track 30 an example made of aluminum oxide insulating layer 32 , The contacting of the measuring electrode 21 and the reference electrode 22 also takes place via conductor tracks, which are not shown for reasons of clarity and between the solid electrolyte layers 11b and 11c guided and connected via non-illustrated vias to the large surface of the sensor element.

Um zu gewährleisten, dass an den Elektroden des Sensorelements eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Gasgemischkomponenten erfolgt, bestehen vorzugsweise alle verwendeten Elektroden aus einem katalytisch aktiven Material, wie beispielsweise Platin, wobei das Elektrodenmaterial für alle Elektroden in an sich bekannter Weise als Cermet eingesetzt wird, um mit den keramischen Folien zu versintern.To ensure that at the electrodes of the sensor element, a setting of the ther Preferably, all electrodes used are made of a catalytically active material, such as platinum, wherein the electrode material is used for all electrodes in a conventional manner as a cermet to sinter with the ceramic films.

Des weiteren ist ein Widerstandsheizer 40 in die Festelektrolytschicht 11d integriert und in eine elektrische Isolation 41, beispielsweise aus Al2O3, eingebettet. Mittels des Widerstandsheizers 40 wird das Sensorelement 10 auf eine entsprechende Betriebstemperatur von beispielsweise 750°C erhitzt.Furthermore, a resistance heater 40 into the solid electrolyte layer 11d integrated and in an electrical insulation 41 , for example, Al 2 O 3 , embedded. By means of the resistance heater 40 becomes the sensor element 10 heated to a corresponding operating temperature of, for example, 750 ° C.

Die innere und die äußere Pumpelektrode 20, 23 bilden zusammen eine Pumpzelle. Diese bewirkt einen Sauerstofftransport aus dem Messgasraum 13 hinaus bzw. hinein. Die Messelektrode 21 und die Referenzelektrode 22 sind als Konzentrationszelle zusammengeschaltet. Diese ermöglicht einen direkten Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im Messgasraum 13 abhängigen Sauerstoffpotentials der Messelektrode 21 mit dem konstanten Sauerstoffpotential der Referenzelektrode 22 in Form einer messbaren elektrischen Spannung. Die Höhe der an die Pumpzelle anzulegenden Pumpspannung wird so gewählt, dass sich an der Konzentrationszelle eine konstante Spannung beispielsweise von 450 mV einstellt. Als ein der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportionales Messsignal wird der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom herangezogen.The inner and the outer pumping electrode 20 . 23 together form a pump cell. This causes an oxygen transport from the sample gas space 13 in and out. The measuring electrode 21 and the reference electrode 22 are interconnected as a concentration cell. This allows a direct comparison of the oxygen concentration in the sample gas space 13 dependent oxygen potential of the measuring electrode 21 with the constant oxygen potential of the reference electrode 22 in the form of a measurable electrical voltage. The height of the pumping voltage to be applied to the pumping cell is selected such that a constant voltage, for example of 450 mV, is established at the concentration cell. As a measurement signal proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas, the pumping current flowing between the electrodes of the pumping cell is used.

Wie bereits eingangs erwähnt erfolgt die Steuerung der elektrochemischen Pumpzelle in einer Weise, dass bei Lambdawerten < 1 im Gasgemisch Sauerstoff von der äußeren zur inneren Pumpelektrode transportiert wird und bei Lambdawerten > 1 Sauerstoff von der inneren zur äußeren Pumpelektrode. Es kommt somit bei Lambda = 1 zu einer Umpolung der Pumpelektroden 20, 23 mit dem unerwünschten Effekt einer Gegenschwing- oder Überschwingerscheinung des Messsignals, die als sogenannte Lambda = 1-Welligkeit bezeichnet wird.As already mentioned, the control of the electrochemical pumping cell takes place in such a way that oxygen is transported from the outer to the inner pumping electrode at lambda values <1 in the gas mixture and oxygen from the inner to the outer pumping electrode at lambda values> 1. Thus Lambda = 1 leads to a polarity reversal of the pumping electrodes 20 . 23 with the undesirable effect of a Gegenschwing- or overshoot appearance of the measurement signal, which is referred to as so-called lambda = 1 ripple.

Es wird nun vorgeschlagen, die Schutzschicht 26 mit einem höheren Diffusionswiderstand zu versehen und gleichzeitig die Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode 23 zu vergrößern. Dies geschieht in einem Ausmaß, dass der sich aus dem größeren Diffusionswiderstand der Schutzschicht 26 ergebende Bedarf einer höheren Pumpspannung an der Pumpzelle durch eine entsprechende Vergrößerung der Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode 2 3 im wesentlichen eliminiert wird und sich bei Anlegen einer vorgegebenen Pumpspannung der im wesentlichen gleiche Pumpstrom einstellt wie bei einem Sensorelement, bei dem innere und äußere Pumpelektrode vergleichbar dimensioniert sind und die äußere Pumpelektrode mit einer gängigen porösen keramischen Schutzschicht überzogen ist.It is now proposed the protective layer 26 to provide a higher diffusion resistance and at the same time the surface area of the outer pumping electrode 23 to enlarge. This happens to an extent that results from the greater diffusion resistance of the protective layer 26 resulting need for a higher pumping voltage to the pumping cell by a corresponding increase in the surface area of the outer pumping electrode second 3 is substantially eliminated and sets upon application of a predetermined pumping voltage of substantially the same pumping current as in a sensor element, wherein the inner and outer pumping electrode are dimensioned comparable and the outer pumping electrode is coated with a common porous ceramic protective layer.

Während die Flächenausdehnung der innere Pumpelektrode 20 beispielsweise ca. 2,7 mm2 beträgt wird für die äußere Pumpelektrode 23 beispielsweise eine Flächenausdehnung von 6 bis 10 mm2 vorgesehen. Das Verhältnis der Fläche der äußeren Pumpelektrode 23 zur Fläche der inneren Pumpelektrode 20 beträgt vorzugsweise 3 bis 6, insbesondere 2 bis 5. Der sich zwischen den Pumpelektroden 20, 23 einstellende Pumpstrom beträgt beispielsweise bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 hPa 180 μA.While the surface area of the inner pumping electrode 20 For example, about 2.7 mm 2 is for the outer pumping electrode 23 For example, a surface extension of 6 to 10 mm 2 is provided. The ratio of the area of the outer pumping electrode 23 to the surface of the inner pumping electrode 20 is preferably 3 to 6, in particular 2 to 5. The between the pumping electrodes 20 . 23 adjusting pumping current is for example at an oxygen partial pressure of 0.5 hPa 180 uA.

Um den Diffusionswiderstand der Schutzschicht 26 zu vergrößern, kann entweder deren Porosität verringert oder deren Schichtdicke vergrößert werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 26 zweischichtig ausgeführt, wobei ein poröser Anteil 26a sowie ein wenig poröser Anteil 26b vorgesehen ist. Die Schutzschicht 26 ist so ausgeführt, dass die äußere Pumpelektrode 23 im wesentlichen bedeckt ist. Die Schutzschicht 26 kann dabei im Bereich der Öffnung 25 eine Durchbrechung aufweisen, es ist jedoch auch möglich, auf diese Durchbrechung zu verzichten.To the diffusion resistance of the protective layer 26 To increase either their porosity can be reduced or their layer thickness can be increased. At the in 1 illustrated embodiment is the protective layer 26 executed in two layers, with a porous portion 26a as well as a little porous part 26b is provided. The protective layer 26 is designed so that the outer pumping electrode 23 is substantially covered. The protective layer 26 can do this in the area of the opening 25 have an opening, but it is also possible to dispense with this opening.

In 3 ist eine Variante des in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels abgebildet. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren. Die in 3 gezeigte äußere Pumpelektrode 23 zeichnet sich durch einen Flächenschwerpunkt aus, der in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements 10 orientiert ist. Hintergrund dieser Anordnung ist, das dabei ein möglichst großer Abstand des Flächenschwerpunkts der äußeren Pumpelektrode 23 zum Flächenschwerpunkt der Referenzelektrode 22 erreicht wird.In 3 is a variant of the in the 1 and 2 illustrated embodiment illustrated. Here, the same reference numerals designate the same component components as in the preceding figures. In the 3 shown outer pumping electrode 23 Characterized by a centroid, in the direction of the measuring gas side end of the sensor element 10 is oriented. The background to this arrangement is that the largest possible distance of the center of gravity of the outer pumping electrode 23 to the centroid of the reference electrode 22 is reached.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein Sensorelement 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.The following is with reference to the 4 and 5 a sensor element 10 described according to a second embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorelement 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Hohlraum 50 über der äußeren Pumpelektrode 23. Der Hohlraum 50 ist ringförmig gebildet und ist über der gesamten nach außen gerichteten Fläche der äußeren Pumpelektrode 23 gebildet. Eine Dicke des Hohlraums 50 liegt zwischen 5 μm bis 15 μm, insbesondere bei 15 μm.In contrast to the first embodiment, the sensor element comprises 10 according to the second embodiment additionally a cavity 50 over the outer pump electrode 23 , The cavity 50 is annular and is over the entire outward facing surface of the outer pumping electrode 23 educated. A thickness of the cavity 50 is between 5 microns to 15 microns, especially at 15 microns.

Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der Hohlraum im Bereich der Schutzschicht 26, genauer im Bereich 26a, gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 26 mit einer gasdichten Deckschicht 26c versehen. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Gaszutritt zur äußeren Pumpelektrode 23 nur seitlich erfolgen kann. Die gasdichte Schicht 26c ist vorzugsweise aus ZrO2 oder Al2O3 gebildet.How out 4 it can be seen, the cavity is in the region of the protective layer 26 , more precisely in the field 26a , educated. In this embodiment is the protective layer 26 with a gas-tight cover layer 26c Mistake. This can be achieved that a gas inlet to the outer pumping electrode 23 can only be done laterally. The gas-tight layer 26c is preferably formed from ZrO 2 or Al 2 O 3 .

Die Fläche der äußeren Pumpelektrode ist im Vergleich zur inneren Pumpelektrode 20 deutlich vergrößert und beträgt vorzugsweise 10 mm2. Die Schutzschicht 26 wird dabei derart ausgelegt, dass ein Grenzstrom bei einem Partialdruck von 0,5 mbar auf unter 45 μm, vorzugsweise auf 20 μm, absinkt.The area of the outer pumping electrode is compared to the inner pumping electrode 20 significantly increased and is preferably 10 mm 2 . The protective layer 26 is designed so that a limiting current at a partial pressure of 0.5 mbar to less than 45 microns, preferably to 20 microns, decreases.

Wie ferner in 5 gezeigt, kann eine Zuleitungsisolation 32 in Richtung der Anschlusskontakte der Leiterbahn 30 verschoben werden. Die Zuleitungsisolation weist dabei einen bogenförmig ausgesparten Bereich 32a auf. Dadurch wird die Kopplung der äußeren Pumpelektrode an die Konzentrationszelle verstärkt, so dass die Reaktion der Pumpzelle auf Druckschwankungen gedämpft ist.As further in 5 shown can be a lead insulation 32 in the direction of the connection contacts of the conductor track 30 be moved. The supply line insulation has an arcuately recessed area 32a on. As a result, the coupling of the outer pumping electrode to the concentration cell is amplified, so that the reaction of the pumping cell is damped to pressure fluctuations.

Durch die im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte vorteilhafte Kombination zwischen vergrößerter äußerer Pumpelektrode 23 und Hohlraum 50 kann somit ein Optimum des Sensorelements hinsichtlich der Lambda = 1-Welligkeit und der Reaktion des Sensorelements auf dynamische Druckänderungen eingestellt werden. Im Stand der Technik führt insbesondere eine kleine Fläche der äußeren Pumpelektrode und die messgasseitig verschobene Zuleitungsisolation zu einer großen Reaktion des Sensorelements auf dynamische Druckänderungen. Der Hohlraum 50 über der äußeren Pumpelektrode 23 verlangsamt nun die Weiterleitung von Gaswechseln. Somit kann erreicht werden, dass die Dynamik des Sensorelements Lambda-unabhängig wird, so dass noch genauere Messungen möglich sind.By the advantageous combination shown in the second embodiment between enlarged outer pumping electrode 23 and cavity 50 Thus, an optimum of the sensor element with regard to the lambda = 1 ripple and the response of the sensor element to dynamic pressure changes can be set. In the prior art, in particular, a small area of the outer pumping electrode and the supply line insulation displaced on the measurement gas side lead to a large reaction of the sensor element to dynamic pressure changes. The cavity 50 over the outer pump electrode 23 slows down the transmission of gas changes. Thus it can be achieved that the dynamics of the sensor element is lambda-independent, so that even more accurate measurements are possible.

Ansonsten entspricht das Sensorelement des zweiten Ausführungsbeispiels der des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.Otherwise corresponds to the sensor element of the second embodiment of the first embodiment, so that reference can be made to the description given there.

6 zeigt ein Sensorelement 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind. 6 shows a sensor element 10 according to a third embodiment of the present invention, wherein identical or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the preceding embodiments.

Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem Sensorelement 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ein Hohlraum 50 über der äußeren Pumpelektrode 23 mit einem porösen Material 51 gefüllt. Das poröse Material 51 weist eine höhere Porosität auf als eine Porosität der Schutzschicht 26. Durch die Wahl der Porosität des porösen Materials 51 im Hohlraum 50 über der äußeren Pumpelektrode 21 wird ein weiterer Freiheitsgrad hinsichtlich der Auslegung des Sensorelements 10 erhalten. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.In contrast to the second embodiment is in the sensor element 10 according to the third embodiment, a cavity 50 over the outer pump electrode 23 with a porous material 51 filled. The porous material 51 has a higher porosity than a porosity of the protective layer 26 , By choosing the porosity of the porous material 51 in the cavity 50 over the outer pump electrode 21 becomes a further degree of freedom with regard to the design of the sensor element 10 receive. Otherwise, this embodiment corresponds to the second embodiment, so that reference can be made to the description given there.

Das erfindungsgemäße Sensorelement und das Verfahren zu seiner Herstellung sind nicht auf die aufgeführten konkreten Ausgestaltungsmöglichkeiten beschränkt, sondern es sind weitere Ausführungsformen denkbar, die weitere Messelektroden, Festelektrolytschichten etc. beinhalten. Weiterhin kann die beschriebene Ausführung der äußeren Pumpelektrode bzw. ihrer Schutzschicht auch bei Sensorelementen angewandt werden, die der Bestimmung anderer Gase wie beispielsweise Stickoxide, Schwefeloxide, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe dienen.The inventive sensor element and the process of its preparation are not listed on the concrete design options limited, but there are other embodiments conceivable, the other measuring electrodes, solid electrolyte layers, etc. include. Furthermore, the described embodiment of the outer pumping electrode or their Protective layer can also be applied to sensor elements, the Determination of other gases such as nitrogen oxides, sulfur oxides, Ammonia or hydrocarbons serve.

Claims (16)

Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer Pumpzelle, die eine erste und eine zweite Elektrode (20, 23) umfasst, wobei die erste Elektrode (20) in einem Messgasraum (13) des Sensorelements angeordnet ist, und wobei die Pumpzelle Sauerstoff in den Messgasraum (13) des Sensorelements hinein oder heraus pumpt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausdehnung der zweiten Elektrode (23) größer ist als die der ersten Elektrode (20) und dass die zweite Elektrode (23) eine Diffusionsbaniere (26) gegenüber dem zur zweiten Elektrode (23) diffundierenden Gasgemisch aufweist, deren Diffusionswiderstand bedingt durch deren Porosität und/oder Schichtdicke so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen, an die erste und zweite Elektrode (20, 23) angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Elektroden (20, 23) fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Elektroden (20, 23) identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Flächenausdehnungen aufweisen würden.Sensor element for determining the concentration of gas components in gas mixtures, in particular for determining the oxygen concentration in exhaust gases of internal combustion engines, with at least one pump cell having a first and a second electrode ( 20 . 23 ), wherein the first electrode ( 20 ) in a sample gas space ( 13 ) of the sensor element is arranged, and wherein the pump cell oxygen in the sample gas space ( 13 ) of the sensor element in or out, characterized in that the surface area of the second electrode ( 23 ) is greater than that of the first electrode ( 20 ) and that the second electrode ( 23 ) a diffusion banana ( 26 ) opposite to the second electrode ( 23 ) diffusing gas mixture whose diffusion resistance due to their porosity and / or layer thickness is selected so that at a given, to the first and second electrode ( 20 . 23 ) applied pumping voltage substantially the same between the electrodes ( 20 . 23 ) flowing pumping current results as it would occur if both electrodes ( 20 . 23 ) would have identically large, the gas mixture exposed area expansions. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (20, 23) auftretende Pumpstrom bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0.5 hPa im Gasgemisch zwischen 150 und 220 μA beträgt.Sensor element according to claim 1, characterized in that between the first and the second electrode ( 20 . 23 ) occurring pumping current at an oxygen partial pressure of 0.5 hPa in the gas mixture between 150 and 220 uA. Sensorelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der zweiten Elektrode (23) 1,5 bis 6 mal so groß, insbesondere 3 bis 5 mal so groß ist, wie die der ersten Elektrode (20).Sensor element according to Claims 1 and 2, characterized in that the large area of the second electrode exposed to the gas mixture ( 23 ) Is 1.5 to 6 times as large, in particular 3 to 5 times as large as that of the first electrode ( 20 ). Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein messgasseitiges Ende und ein halterungsseitiges Ende aufweist, und dass die Ausdehnung der dem Gasgemisch ausgesetzten Großfläche der zweiten Elektrode (23) in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements zunimmt.Sensor element according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element is a Meßgasseitiges End and a holder-side end, and that the expansion of the gas mixture exposed large area of the second electrode ( 23 ) increases in the direction of the measuring gas side end of the sensor element. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (26) als poröse keramische Schicht ausgeführt ist.Sensor element according to at least one of the preceding claims, characterized in that the diffusion barrier ( 26 ) is designed as a porous ceramic layer. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (26) aus Zirkondioxid ausgeführt ist.Sensor element according to at least one of the preceding claims, characterized in that the diffusion barrier ( 26 ) is made of zirconium dioxide. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der zweiten Elektrode (23) eine Ausdehnung von 6 bis 10 mm2 hat.Sensor element according to at least one of the preceding claims, characterized in that the gas mixture of the exposed large area of the second electrode ( 23 ) has an extension of 6 to 10 mm 2 . Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der ersten Elektrode (20) abgewandten Seite der zweiten Elektrode (23) ein Hohlraum (50) angeordnet ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that on the of the first electrode ( 20 ) facing away from the second electrode ( 23 ) a cavity ( 50 ) is arranged. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (50) mit einem porösen Material (51) gefüllt ist, welches eine höhere Porosität als die Diffusionsbarriere (26) aufweist.Sensor element according to claim 8, characterized in that the cavity ( 50 ) with a porous material ( 51 ), which has a higher porosity than the diffusion barrier ( 26 ) having. Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (50) über der gesamten Fläche der zweiten Elektrode (23) gebildet ist.Sensor element according to claim 8 or 9, characterized in that the cavity ( 50 ) over the entire surface of the second electrode ( 23 ) is formed. Sensorelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (50) eine Dicke zwischen 5 μm bis 50 μm, insbesondere 15 μm, aufweist.Sensor element according to one of claims 8 to 10, characterized in that the cavity ( 50 ) has a thickness between 5 μm to 50 μm, in particular 15 μm. Sensorelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (26) eine Dichte derart aufweist, dass bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 mbar zwischen der ersten und zweiten Elektrode (20, 23) ein Grenzstrom zwischen 20 μA bis 45 μm auftritt.Sensor element according to one of claims 8 to 11, characterized in that the diffusion barrier ( 26 ) has a density such that at an oxygen partial pressure of 0.5 mbar between the first and second electrodes ( 20 . 23 ) a limiting current between 20 μA to 45 microns occurs. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbaniere (26) eine gasdichte Schicht (26c) umfasst.Sensor element according to claim 12, characterized in that the diffusion barrier ( 26 ) a gas-tight layer ( 26c ). Sensorelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht (32) einer Leiterbahn (30) zur zweiten Elektrode (23) in Richtung der Anschlusskontakte der Leiterbahn (30) verschoben ist.Sensor element according to one of claims 8 to 13, characterized in that an insulating layer ( 32 ) a conductor track ( 30 ) to the second electrode ( 23 ) in the direction of the terminal contacts of the conductor track ( 30 ) is shifted. Sensorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (32) um 100 μm bis 2000 μm, insbesondere 350 μm, in Richtung der Anschlusskontakte verschoben ist.Sensor element according to claim 14, characterized in that the insulating layer ( 32 ) is shifted by 100 microns to 2000 microns, in particular 350 microns, in the direction of the terminal contacts. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Festelektrolytschicht (11a) des Sensorelements zwei Elektroden (20, 23) einer elektrochemischen Pumpzelle angeordnet werden, wobei die zweite Elektrode (23) so ausgestaltet ist, dass deren Flächenausdehnung größer ist als die der ersten Elektrode (20) und dass die zweite Elektrode (23) mit einer Diffusionsbaniere (26) gegenüber dem zur zweiten Elektrode (23) diffundierenden Gasgemisch versehen wird, deren Porosität und/oder Schichtdicke so gewählt wird, dass bei einer vorgegebenen, an die erste und zweite Elektrode (20, 23) angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Elektroden (20, 23) fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Elektroden (20, 23) identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Flächenausdehnungen aufweisen würden.Method for producing a sensor element for determining the concentration of gas components in gas mixtures, in particular according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that on a solid electrolyte layer ( 11a ) of the sensor element two electrodes ( 20 . 23 ) of an electrochemical pumping cell, the second electrode ( 23 ) is designed so that its surface area is greater than that of the first electrode ( 20 ) and that the second electrode ( 23 ) with a diffusion banana ( 26 ) opposite to the second electrode ( 23 ) is provided, whose porosity and / or layer thickness is selected so that at a given, to the first and second electrode ( 20 . 23 ) applied pumping voltage substantially the same between the electrodes ( 20 . 23 ) flowing pumping current results as it would occur if both electrodes ( 20 . 23 ) would have identically large, the gas mixture exposed area expansions.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007057135A1 (en) 2007-11-28 2009-06-04 Robert Bosch Gmbh Gas sensor and method for detecting particles in a gas stream
DE102008004372A1 (en) 2008-01-15 2009-07-16 Robert Bosch Gmbh Gas sensor and method for detecting particles in a gas stream
WO2009130158A1 (en) 2008-04-25 2009-10-29 Robert Bosch Gmbh Protective layers, which are suitable for exhaust gases, for high-temperature sensors
WO2025156903A1 (en) * 2024-01-26 2025-07-31 比亚迪股份有限公司 Oxygen sensor and preparation method therefor, sensing element and preparation method therefor, engine, and vehicle

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007057135A1 (en) 2007-11-28 2009-06-04 Robert Bosch Gmbh Gas sensor and method for detecting particles in a gas stream
DE102008004372A1 (en) 2008-01-15 2009-07-16 Robert Bosch Gmbh Gas sensor and method for detecting particles in a gas stream
EP2081019A2 (en) 2008-01-15 2009-07-22 Robert Bosch Gmbh Gas sensor and method for detecting NOx-particles in a gas flow
WO2009130158A1 (en) 2008-04-25 2009-10-29 Robert Bosch Gmbh Protective layers, which are suitable for exhaust gases, for high-temperature sensors
WO2025156903A1 (en) * 2024-01-26 2025-07-31 比亚迪股份有限公司 Oxygen sensor and preparation method therefor, sensing element and preparation method therefor, engine, and vehicle

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