Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung mindestens
einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der
Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The
The invention is based on a gas sensor for determining at least
a physical property of a measuring gas, in particular the
Concentration of a gas component or the temperature of the sample gas,
according to the preamble of claim 1.
Bei
einem bekannten Gassensor oder Gasmessfühler dieser Art
( DE 102 40 245 A1 )
ist das zylinderförmige Sensorelement in ein rohrförmiges
Gehäuse eingesetzt, in dessen messgasseitiges Gehäuseende
ein mit einem Ringboden versehenes, rohrförmiges Schutzrohr
eingeschweißt ist Das in Planartechnik in Schichten aufgebaute
Sensorelement liegt über einen Dichtungsring an dem Ringboden
des Schutzrohrs an und wird mittels einer Druckfeder, die sich einerseits
im Gehäuse und andererseits an der vom Schutzrohr abgekehrten
Seite des Sensorelements abstützt, auf den Dichtungsring
aufgepresst, wodurch das Sensorelement gegenüber dem Gehäuse
gasdicht abgedichtet ist. Der Schichtaufbau des Sensorelements ist
mit drei Festelektrolytschichten aus Zirkoniumoxid realisiert, von denen
die erste Festelektrolytschicht dem Messgas und die dritte Festelektrolytschicht
einem Referenzgas, vorzugsweise Luft, ausgesetzt ist. In der zweiten,
mittleren Festelektrolytschicht ist ein Hohlraum ausgebildet, der über
eine durch die dritte Festelektrolytschicht hindurchführende
Bohrung von dem Referenzgas beaufschlagt ist. Auf voneinander abgekehrten
Oberflächen der ersten Festelektrolytschicht sind zwei
Elektroden angeordnet, von denen die eine Elektrode dem Messgas
ausgesetzt und die andere Elektrode in dem mit dem Referenzgas beaufschlagten
Hohlraum angeordnet ist. Die beiden Elektroden bilden zusammen mit
der ersten Festelektrolytschicht eine elektrochemische Nernstzelle.
Die beiden Elektroden sind über die Festelektrolytschichten
durchdringende Durchkontaktierungen mit je einer von zwei Kontaktflächen
verbunden, die auf der dem Referenzgas zugekehrten Oberfläche
der dritten Festelektrolytschicht angeordnet sind. Auf jede Kontaktfläche
ist ein elektrischer Leiter einer Anschlussleitung kraftschlüssig
kontaktiert.In a known gas sensor or gas sensor of this type ( DE 102 40 245 A1 ) The cylindrical sensor element is inserted into a tubular housing, in whose messgasseitiges end of a housing provided with a ring bottom, tubular protective tube is constructed in planar technology in layers sensor element is applied via a sealing ring on the ring bottom of the protective tube and is by means of a compression spring, the supported on the one hand in the housing and on the other hand on the side facing away from the protective tube side of the sensor element, pressed onto the sealing ring, whereby the sensor element is sealed against the gas-tight housing. The layer structure of the sensor element is realized with three zirconia solid electrolyte layers, of which the first solid electrolyte layer is exposed to the measurement gas and the third solid electrolyte layer to a reference gas, preferably air. In the second, middle solid electrolyte layer, a cavity is formed, which is acted upon by a passing through the third solid electrolyte layer bore of the reference gas. On opposite surfaces of the first solid electrolyte layer, two electrodes are arranged, of which the one electrode is exposed to the measurement gas and the other electrode is arranged in the cavity acted upon by the reference gas. The two electrodes together with the first solid electrolyte layer form an electrochemical Nernst cell. The two electrodes are connected via the solid electrolyte layers penetrating through holes with one of two contact surfaces, which are arranged on the reference gas facing surface of the third solid electrolyte layer. On each contact surface, an electrical conductor of a connecting line is non-positively contacted.
Ein
bekanntes, schichtförmig aufgebautes Sensorelement zum
Nachweis einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases oder einer
Flüssigkeit, insbesondere zum Nachweis der Konzentration
einer Gaskomponente oder der Temperatur des Abgases eines Verbrennungsmotors
( DE 102 10 974 A1 ), weist
eine einer Elektrode zugeordnete Kontaktfläche auf, die
zwischen einer äußeren ersten Schicht und einer
unmittelbar darunterliegenden zweiten Schicht angeordnet ist. Zur
Vermeidung von Durchkontaktierungen ist die obere Schicht im Bereich
der Kontaktflächen ausgespart und ein elektrischer Leiter einer
Anschlussleitung durch die Aussparung hindurch direkt auf die zwischen
den beiden Schichten liegende Kontaktfläche kontaktiert.A known, layered sensor element for detecting a physical property of a measuring gas or a liquid, in particular for detecting the concentration of a gas component or the temperature of the exhaust gas of an internal combustion engine ( DE 102 10 974 A1 ), has an electrode associated with a contact surface which is disposed between an outer first layer and a directly underlying second layer. To avoid plated-through holes, the upper layer is recessed in the area of the contact surfaces and an electrical conductor of a connecting line is contacted through the recess directly onto the contact surface lying between the two layers.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die tragende Substratschicht
ein Schichtaufbau ermöglicht wird, bei dem elektrische
Durchkontaktierungen zu den den Elektroden zugeordneten Kontaktflächen
vermieden und die elektrischen Leiter der Anschlussleitung direkt
auf die Kontaktflächen kontaktiert werden können.
Die direkte Kontaktierung kann stoffschlüssig und damit
hochtemperaturbeständig ausgeführt werden. Mit
dem Vermeiden der Durchkontaktierungen ist zugleich das Problem
der mangelnden Temperaturstabilität dieser Durchkontaktierungen
umgangen, die in der bei höherer Temperatur mangelnden
elektrischen Isolation zwischen den Durchkontaktierungen und dem
ionenleitenden Zirkoniumoxid im Schichtaufbau und in den dadurch entstehenden
Querströmen begründet ist. Außerdem wird
das für die Durchkontaktierungen üblicherweise eingesetzte
teure Platin eingespart, was zur Kostensenkung beiträgt.
Die direkte Kontaktierung ist durch das Einbringen von Aussparungen
in den die Kontaktflächen überdeckenden Schichten
gewährleistet, wobei die in die z. B. als Folien ausgeführten
Schichten eingestanzten Aussparungen nicht zu einem Durchsacken
der Schichten während des Sinterprozesses führen,
da die Bereiche der Aussparungen mechanisch gut von der tragenden
Substratschicht unterstützt werden. Bei Verwendung eines
elektrisch isolierenden Materials, z. B. Aluminiumoxid, für
die Substratschicht kann auf eine fertigungstechnisch aufwendige
Isolation des Sensorelements gegenüber dem Gehäuse
verzichtet werden. Zudem ist Aluminiumoxid deutlich kostengünstiger
als Zirkoniumoxid, so dass die Materialkosten weiter gesenkt werden
können.Of the
Gas sensor according to the invention with the features of
Claim 1 has the advantage that by the supporting substrate layer
a layer structure is made possible in which electrical
Through contacts to the electrodes associated with the contact surfaces
avoided and the electrical conductors of the connecting cable directly
can be contacted on the contact surfaces.
The direct contact can cohesively and thus
be carried out high temperature resistant. With
Avoiding the vias is also the problem
the lack of temperature stability of these vias
bypassed that lacking in the higher temperature
electrical insulation between the vias and the
ion-conducting zirconium oxide in the layer structure and in the resulting
Cross currents is justified. In addition, will
the usually used for the vias
Saves expensive platinum, which helps to reduce costs.
The direct contact is through the introduction of recesses
in the layers covering the contact surfaces
guaranteed, with the z. B. designed as films
Layers of stamped recesses do not sag
of the layers during the sintering process,
because the areas of the recesses are mechanically well supported by the bearing
Substrate layer can be supported. When using a
electrically insulating material, for. For example, alumina, for
the substrate layer can be based on a manufacturing technology consuming
Isolation of the sensor element with respect to the housing
be waived. In addition, alumina is much cheaper
as zirconium oxide, so that the material costs are further reduced
can.
Bei
scheibenförmiger Gestaltung des Sensorelements ergibt sich
der Vorteil, dass auf das recht aufwendige und teure Beschleifen
der Sensorelementkanten verzichtet werden kann, da aufgrund des Schichtaufbaus
mit der tragenden Substratschicht und einer in weiteren Ansprüchen
vorgeschlagenen Verbauung des Sensorelements in einem Gehäuse die
Schwingbelastungen für das Sensorelement deutlich unkritischer
sind. Darüber hinaus wird bei dem scheibenförmigen
Sensorelement gegenüber den bekannten stabförmigen
Sensorelementen eine durch das Messgas zumeist herbeigeführte
Kühlwirkung reduziert, da die elektrochemische Messzelle nicht
mehr komplett vom Messgas umspült wird, sondern nur noch
die tragfähige Substratschicht in Kontakt mit dem Messgas
kommt. Die benötigte Heizleistung eines elektrischen Heizers
kann somit gesenkt werden, was eine Kosteneinsparung bei Heizer
und Elektronik ermöglicht.In disc-shaped design of the sensor element there is the advantage that can be dispensed with the quite complex and expensive grinding of the sensor element edges, as due to the layer structure with the supporting substrate layer and proposed in further claims obstruction of the sensor element in a housing, the vibration loads on the sensor element significantly are more critical. In addition, in the disc-shaped sensor element over the known rod-shaped sensor elements, a cooling effect caused by the measurement gas is reduced, since the electrochemical measuring cell is no longer completely surrounded by the measurement gas, but only the load-bearing substrate layer comes into contact with the measurement gas. The required heating cable tion of an electric heater can thus be lowered, which allows cost savings in heaters and electronics.
Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.By
the measures listed in the further claims
are advantageous developments and improvements of the claim
1 specified gas sensor possible.
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Schichtaufbau
einen unter Zwischenlage einer Isolationsschicht auf die Substratschicht
aufgebrachten Festelektrolyten, den Hohlraum, mindestens zwei auf
dem Festelektrolyten voneinander beabstandet angeordnete, mit jeweils einer
auf der Isolationsschicht angeordneten Kontaktfläche verbundene
Elektroden und eine Isolationsschicht auf, die den Festelektrolyten
mit Elektroden und den Hohlraum überdeckt und mit den Kontaktflächen
deckungsgleiche Aussparungen enthält. Wird die tragende
Substratschicht aus einer elektrisch isolierenden Keramik, z. B.
Aluminiumoxid, gefertigt, so kann auf die zwischen Substratschicht
und Festelektrolyten angeordnete Isolationsschicht verzichtet und
der Festelektrolyt unmittelbar auf die tragende Substratschicht
aufgebracht werden. Dieser Schichtaufbau hat den Vorteil, dass das üblicherweise
verwendete Zirkoniumoxid durch preisgünstiges Material,
wie Aluminiumoxid, ersetzt werden kann. So können alle
Schichten aus Aluminiumoxid oder aus zirkoniumoxidverstärktem
Aluminiumoxid bestehen. Letzteres hat deutlich bessere mechanische
Eigenschaften und einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als Aluminiumoxid und passt daher sehr gut zu dem für den
Festelektrolyten verwendeten Zirkoniumoxid. Auch sind für
die mechanische Ankopplung des Sensorelements an das Gehäuse
keine weiteren Maßnahmen nötig, um das Sensorelement
elektrisch gegen das üblicherweise metallische das Gehäuse
zu isolieren.According to one
advantageous embodiment of the invention, the layer structure
one with the interposition of an insulating layer on the substrate layer
applied solid electrolyte, the cavity, at least two
the solid electrolyte spaced from each other, each with a
connected to the insulating layer arranged contact surface
Electrodes and an insulating layer on which the solid electrolyte
covered with electrodes and the cavity and with the contact surfaces
contains congruent recesses. Will the load bearing
Substrate layer of an electrically insulating ceramic, z. B.
Alumina, made, so can on the between substrate layer
and solid electrolyte arranged insulating layer and omitted
the solid electrolyte immediately onto the supporting substrate layer
be applied. This layer structure has the advantage that usually
used zirconia by inexpensive material,
such as alumina, can be replaced. So everyone can
Layers of alumina or zirconia reinforced
Alumina exist. The latter has much better mechanical
Properties and a higher thermal expansion coefficient
as alumina and fits very well with that for the
Solid electrolytes used zirconium oxide. Also are for
the mechanical coupling of the sensor element to the housing
no further action needed to the sensor element
electrically against the usually metallic housing
to isolate.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:The
The invention is based on embodiments shown in the drawings
explained in more detail in the following description.
Show it:
1 eine
perspektivische Ansicht eines Gassensors mit einem in einem Gehäuse
aufgenommenen Sensorelement, teilweise geschnitten, 1 a perspective view of a gas sensor with a sensor element accommodated in a housing, partially cut,
2 eine
Explosionsdarstellung des Sensorelements in 1, 2 an exploded view of the sensor element in 1 .
3 eine
Draufsicht der einzelnen Schichten des Schichtaufbaus des Sensorelements
in 2, 3 a plan view of the individual layers of the layer structure of the sensor element in 2 .
4 bis 7 jeweils
eine gleiche Darstellung wie in 1 weiterer
Ausführungsbeispiele des Gassensors mit unterschiedlichen
Einbettungen des Sensorelements im Gehäuse. 4 to 7 each a same representation as in 1 Further embodiments of the gas sensor with different embedding of the sensor element in the housing.
Der
in 1 perspektivisch und teilweise geschnitten dargestellte
Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines
Messgases dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine. Bei entsprechender Modifikation
kann der Gassensor auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden
im Abgas oder zur Messung der Temperatur des Abgases oder eines
anderen Messgases verwendet werden. Im folgenden werden Abgas und Messgas
als Synonyme verwendet.The in 1 For example, a gas sensor for determining a physical property of a measurement gas that is shown in a perspective view and partially in section serves for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. With a corresponding modification, the gas sensor can also be used for determining the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas or for measuring the temperature of the exhaust gas or another measuring gas. In the following, exhaust gas and measuring gas are used as synonyms.
Der
Gassensor weist ein Gehäuse 11 und ein im Gehäuse 11 aufgenommenes
Sensorelement 12 mit einer dem Messgas ausgesetzten Unter-
oder Messgasseite und einer davon abgekehrten, einem Referenzgas,
z. B. Umgebungsluft, ausgesetzten Ober- oder Referenzgasseite auf.
Das Sensorelement 12 ist im Ausführungsbeispiel
als kreisrunde, flache Scheibe ausgeführt. Die flache Scheibe
kann jedoch auch jede andere Gestalt annehmen, z. B. oval, dreieckig,
viereckig (rechteckig oder quadratisch) oder mehreckig, z. B. sechseckig,
ausgeführt werden. Die kreisrunde Form ist vorteilhaft,
für eine Minimierung des Sinterverzugs sowie für
eine verbesserte thermomechanische Stabilität. Im Ausführungsbeispiel
der 1 ist das kreisscheibenförmige, flache
Sensorelement 12 in einen Keramikring 13 mittels
einer Glaseinschmelzung 14 stoffschlüssig eingebunden.
Alternativ kann der Keramikring 13 auch durch einen Sinterprozess
gasdicht auf das Sensorelement 12 aufgesintert werden.
In diesem Fall entfällt die Glaseinschmelzung 14.
Anstelle des Keramikrings 13 kann am Sensorelement 12 eine formgleiche
Umspritzung mit einem Glas/Glimmer-Verbundmaterial, z. B. MicaverHT
der Firma St. Gobian, hergestellt werden. Alternativ kann der Keramikring
in einem Montagesinterschnitt direkt auf das Sensorelement 12 aufgesintert
werden, wobei das Sensorelement 12 sowohl bereits gesintert
als auch noch ungesintert sein kann. Das rohrförmige Gehäuse 11 ist
an seinem messgasseitigen Ende mit einem Rohrflansch 111 versehen,
der auf der vom Messgas abgekehrten, ebenen Oberseite des Keramikrings 13 aufliegt.
An der davon abgekehrten, ebenen Unterseite des Keramikrings 13 liegt
ein Schutzrohr 15 mit einem endseitigen Rohrflansch 151 an.
Der Rohrflansch 151 ist um den Außenumfang des
Keramikrings 13 auf die Oberseite des gehäuseseitigen
Rohrflansches 111 umgebördelt. Der gehäuseseitige Rohrflansch 111 und
der schutzrohrseitige Rohrflansch 151 bilden zusammen mit
dem Keramikring 13 einen Montageflansch 16 zum
Montieren des Gassensors in eine Ab- oder Messgasleitung. Wie allgemein
bekannt ist, weist die Messgasleitung hierzu einen Anschlussstutzen
auf, in den das Schutzrohr 15 so weit eingesetzt wird,
bis der Montageflansch 16 auf der Stirnseite des Anschlussstutzens aufliegt.
Der Montageflansch 16 wird dann mit einer Überwurfmutter,
die auf ein am Anschlussstutzen vorhandenes Außengewinde
aufgeschraubt wird, auf dem Anschlussstutzen gasdicht festgespannt.
Nach Montage des Gassensors ist die zum Schutzrohr 15 weisende
Unterseite des Sensorelements 12 vom Messgas beaufschlagt.
Alternativ kann auch der Anschlussstutzen mit einem Innengewinde
versehen sein und der Montageflansch ein Außengewinde aufweisen
oder eine Überwurfmutter mit Außengewinde verwendet
werden.The gas sensor has a housing 11 and one in the case 11 recorded sensor element 12 with a measuring gas exposed to the lower or measuring gas side and one of them, a reference gas, eg. B. ambient air, exposed upper or reference gas side. The sensor element 12 is executed in the embodiment as a circular, flat disc. However, the flat disc can also take any other shape, eg. B. oval, triangular, square (rectangular or square) or polygonal, z. B. hexagonal, running. The circular shape is advantageous for minimizing sintering distortion as well as for improved thermomechanical stability. In the embodiment of 1 is the circular disk-shaped, flat sensor element 12 in a ceramic ring 13 by means of a glass melting 14 cohesively integrated. Alternatively, the ceramic ring 13 also by a sintering process gas-tight on the sensor element 12 be sintered. In this case, the Glaseinschmelzung 14 , Instead of the ceramic ring 13 can on the sensor element 12 a same shape encapsulation with a glass / mica composite material, eg. B. MicaverHT the company St. Gobian. Alternatively, the ceramic ring in a mounting intersection directly on the sensor element 12 be sintered, the sensor element 12 both already sintered and still unsintered. The tubular housing 11 is at its measuring gas end with a pipe flange 111 provided on the side facing away from the sample gas, the flat top of the ceramic ring 13 rests. At the opposite, flat bottom of the ceramic ring 13 lies a protective tube 15 with an end pipe flange 151 at. The pipe flange 151 is around the outer circumference of the ceramic ring 13 on the top of the housing side pipe flange 111 crimped. The housing-side pipe flange 111 and the protective pipe side pipe flange 151 make up together with the ceramic ring 13 a mounting flange 16 for mounting the gas sensor in a waste or sample gas line. As is well known, the sample gas line for this purpose has a connecting piece, in which the protection pipe 15 is used until the mounting flange 16 rests on the front side of the connecting piece. The mounting flange 16 is then clamped gas-tight on the connecting piece with a union nut, which is screwed onto an existing external thread on the connection piece. After installation of the gas sensor is the protection tube 15 facing bottom of the sensor element 12 acted upon by the sample gas. Alternatively, the connecting piece can be provided with an internal thread and the mounting flange have an external thread or a union nut can be used with external thread.
Das
Sensorelement 12 ist an elektrische Leiter 17 einer
zu einem Steuergerät führenden Anschlussleitung 18 angeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die
Anschlussleitung 18 mit den elektrischen Leitern 17 mittels
einer Metallmantelleitung realisiert, die über das vom
Schutzrohr 15 abgekehrte, offene Ende des Gehäuses 11 in
das Gehäuse 11 eingeführt ist. Das Gehäuse 11 ist
mit einem Verschlussstopfen 19 abgeschlossen, der einerseits die
Anschlussleitung 18 umschließt und andererseits sich
an die Innenwand des Gehäuses 11 anpresst. Der
Verschlussstopfen 19 ist aus Metall und sowohl an das Mantelrohr
der Metallmantelleitung als auch an das Gehäuse 11 angeschweißt.
Im Einzelfall kann der Verschlussstopfen 19 auch aus einem
hochtemperaturbeständigen Kunststoff gefertigt sein.The sensor element 12 is to electrical conductors 17 a leading to a control unit connection cable 18 connected. In the embodiment of 1 is the connection cable 18 with the electrical conductors 17 realized by means of a metal sheathed cable, which over that of the protective tube 15 facing away, open end of the case 11 in the case 11 is introduced. The housing 11 is with a stopper 19 completed, on the one hand the connecting line 18 encloses and on the other hand to the inner wall of the housing 11 presses. The sealing plug 19 is made of metal and both to the jacket tube of the metal sheathed cable as well as to the housing 11 welded. In individual cases, the stopper can 19 also be made of a high temperature resistant plastic.
Das
Sensorelement 12 ist in Planartechnik aus quer zu der Gehäuseachse
verlaufenden Schichten auf einer den messgasseitigen Abschluss des Sensorelements 12 bildenden,
tragfähigen Substratschicht 20 aufgebaut. In 2 ist
das Sensorelement 12 in Explosionsdarstellung skizziert,
und in 3 sind die einzelnen Schichten, wie sie nacheinander von
links nach rechts und von oben nach unten aufeinandergeschichtet
werden, in Draufsicht dargestellt. Die tragende Substratschicht 20 ist,
da sie keine Messfunktion erfüllt, aus einem keramischen
Material gefertigt, das danach ausgesucht ist, dass es einen zu
dem weiteren Schichtaufbau passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und ein ähnliches Sinterverhalten wie der Schichtaufbau
aufweist. Als keramisches Material wird Aluminiumoxid (Al2O3) oder zirkoniumoxidverstärktes
Aluminiumoxid verwendet. Letzteres wird bevorzugt, da dieses deutlich
bessere mechanische Eigenschaften und einen höheren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Aluminiumoxid. Möglich
ist auch die Verwendung von yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2). Als tragende Substratschicht 20 wird
eine Substratfolie, die dieses Material enthält, verwendet. Die
Substratschicht 20 wird zunächst auf ihrer dem Abgas
zugekehrten Unterseite mit einer oder mehreren, im konkreten Beispiel
zwei Verzugsisolationsschichten 21 zur Minimierung des
Sinterverzugs bedruckt. Auf die davon abgekehrte Oberseite der Substratschicht
wird dann eine im Durchmesser etwas kleinere Isolationsschicht 22 aufgedruckt.
Besteht die Substratschicht 20 aus elektrisch isolierendem
Material, wie Aluminiumoxid, so kann diese Isolationsschicht 22 entfallen.
Auf die Isolationsschicht 22 bzw. direkt auf die Oberseite
der Substratfolie ist ein Festelektrolyt 23 aus Zirkoniumoxid
in Form eines Teilrings aufgedruckt. Auf den Festelektrolyten 23 werden
dann drei Elektroden 24, 25, 26 mit Abstand
voneinander gedruckt und gleichzeitig den Elektroden 24, 25, 26 zu
deren Kontaktierung zugeordnete Kontaktflächen 27, 28, 29 auf
die Isolationsschicht 22 bzw. auf die tragende Substratschicht 21 aufgedruckt.
Als nächstes wird eine poröse Diffusionsbarriere 30 auf
die Isolationsschicht 22 bzw. auf die Substratschicht 20 aufgedruckt,
und zwar so, dass sie sich vom Zentrum des Sensorelements 12 bis
hin zur mittleren Elektrode 25 erstreckt. Die mittlere
Elektrode 25 wird mit einer ausbrennbaren Paste überdruckt.
Gleichzeitig wird vom Zentrum hin bis über die erste Elektrode 24 ein
Steg aus einer ausbrennbaren Paste gedruckt, so dass nach Ausbrennen
der Paste einerseits ein an die Diffusionsbarriere 30 sich
anschließender Hohlraum 47 über der Elektrode 25 und andererseits
ein Hohlraum 31 zwischen dem Zentrum und der Elektrode 24 vorhanden
ist. Die genannten Schichten werden im Zentrum komplett durchbohrt,
so dass mindestens ein auf der messgasseitigen Unterseite der Substratschicht 20 mündendes
Gaszutrittsloch 32 entsteht, mit dem einerseits die Elektrode 25 über
die Diffusionsbarriere 30 und andererseits die Elektrode 24 über
den Hohlraum 31 in Verbindung steht. Alternativ kann das Gaszutrittsloch 32 auch
durch Vorsehen entsprechender Aussparungen beim Drucken der einzelnen Schichten
und durch Eindrucken entsprechender weiterer Ausbrandstrukturen
realisiert werden. In das Gaszutrittsloch 32 wird von der
dem Messgas zugekehrten Unterseite der Substratschicht 20 her
eine poröse Schutzschicht in Form eines Presslings 33 (2)
eingesetzt oder alternativ drucktechnisch eingebracht. Die poröse
Schutzschicht kann zusätzlich eine katalytische Funktion übernehmen.
Nach Aufdrucken von Festelektrolyt 23, Elektroden 24 bis 26,
Kontaktflächen 27 bis 29, Diffusionsbarriere 30 und
der ausbrennbaren Paste für die Hohlräume 31 und 47 wird
eine abschließende, dichte Isolationsschicht 34 in
Form einer Folie oder drucktechnisch aufgebracht. Die Isolationsschicht 34 weist
Aussparungen 35 für die Kontaktflächen 27, 28 und 29 auf und
füllt die bestehenden Leerräume zwischen Festelektrolyten 23,
Diffusionsbarriere 30 und Steg für den späteren
Hohlraum 30 aus.The sensor element 12 is in planar technology from transverse to the housing axis extending layers on a the measuring gas side termination of the sensor element 12 forming, sustainable substrate layer 20 built up. In 2 is the sensor element 12 outlined in exploded view, and in 3 are the individual layers, as they are sequentially stacked from left to right and top to bottom, shown in plan view. The supporting substrate layer 20 is, since it does not fulfill a measuring function, made of a ceramic material, which is selected so that it has a matching the further layer structure thermal expansion coefficient and a similar sintering behavior as the layer structure. Alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia-reinforced alumina is used as the ceramic material. The latter is preferred since this has much better mechanical properties and a higher thermal expansion coefficient than the aluminum oxide. It is also possible to use yttrium-stabilized zirconium oxide (ZrO 2 ). As a supporting substrate layer 20 For example, a substrate film containing this material is used. The substrate layer 20 is first on its exhaust side facing the exhaust with one or more, in the specific example, two draft insulating layers 21 printed to minimize the sintering distortion. On the facing away from the top of the substrate layer is then a slightly smaller in diameter insulation layer 22 printed. Is the substrate layer 20 made of electrically insulating material, such as aluminum oxide, so this insulation layer 22 omitted. On the insulation layer 22 or directly on top of the substrate film is a solid electrolyte 23 made of zirconium oxide in the form of a partial ring. On the solid electrolyte 23 then become three electrodes 24 . 25 . 26 printed at a distance from each other and at the same time the electrodes 24 . 25 . 26 associated contact surfaces for their contacting 27 . 28 . 29 on the insulation layer 22 or on the supporting substrate layer 21 printed. Next becomes a porous diffusion barrier 30 on the insulation layer 22 or on the substrate layer 20 imprinted, in such a way that they are from the center of the sensor element 12 to the middle electrode 25 extends. The middle electrode 25 is overprinted with a burn-out paste. At the same time, from the center to the first electrode 24 a web of a burn-out paste printed, so that after burning out of the paste on the one hand to the diffusion barrier 30 adjoining cavity 47 over the electrode 25 and on the other hand a cavity 31 between the center and the electrode 24 is available. The said layers are completely pierced in the center, so that at least one on the Messgasseitigen bottom of the substrate layer 20 opening gas access hole 32 arises, with the one hand, the electrode 25 over the diffusion barrier 30 and on the other hand, the electrode 24 over the cavity 31 communicates. Alternatively, the gas access hole 32 can also be realized by providing corresponding recesses in the printing of the individual layers and by impressing corresponding further Ausbrandstrukturen. In the gas access hole 32 is from the underside of the substrate layer facing the measurement gas 20 a porous protective layer in the form of a compact 33 ( 2 ) or alternatively introduced by printing technology. The porous protective layer can additionally assume a catalytic function. After printing on solid electrolyte 23 , Electrodes 24 to 26 , Contact surfaces 27 to 29 , Diffusion barrier 30 and the burnable paste for the cavities 31 and 47 becomes a final, dense insulation layer 34 in the form of a film or applied by printing. The insulation layer 34 has recesses 35 for the contact surfaces 27 . 28 and 29 and fills the existing voids between solid electrolytes 23 , Diffusion barrier 30 and bridge for the later cavity 30 out.
Im
nächsten Schritt wird auf die abschließende, dichte
Isolationsschicht 34 ein Heizmäander 36 aufgedruckt,
an dessen beiden Enden jeweils einer von zwei als Kontaktflächen
ausgebildeten Anschlusskontakten 37, 38 vorgesehen
werden. Der Heizmäander 36 wird durch eine weitere
Isolationsschicht 39 abgedeckt. Die Isolationsschicht 39 weist insgesamt
fünf Aussparungen 40 auf, von denen drei Aussparungen 40 kongruent
mit den Aussparungen 35 in der Isolationsschicht 34 und
den Kontaktflächen 27, 28, 29 sind
und zwei Aussparungen 40 kongruent mit den Anschlusskontakten 37, 38 am
Heizmäander 36 sind. Um eine Beschädigung
der aufgedruckten Schichten durch die Druckschwankungen in einem Abgasstrang
zu verhindern, ist noch mindestens eine feste Substratschicht 41 auf
die letzte Isolationsschicht 39 aufgedruckt oder als Folie
aufgesetzt. Die feste Substratschicht 41 weist insgesamt
fünf Aussparungen 42 auf, die kongruent mit den
Aussparungen 40 in der Isolationsschicht 39 sind.
Die feste Substratschicht 41 weist im Ausführungsbeispiel
den gleichen Durchmesser auf wie die tragende Substratschicht 20,
während die Isolationsschichten 22, 34 und 39 einen
demgegenüber kleineren Durchmesser besitzen.The next step is the final, dense insulation layer 34 a heating meander 36 printed on, at its two ends in each case one of two contact surfaces formed as a contact 37 . 38 be provided. The heating meander 36 is through a further isolation layer 39 covered. The insulation layer 39 has a total of five recesses 40 on, of which three recesses 40 congruent with the recesses 35 in the insulation layer 34 and the contact surfaces 27 . 28 . 29 are and two recesses 40 congruent with the connection contacts 37 . 38 at the heating meander 36 are. In order to prevent damage to the printed layers by the pressure fluctuations in an exhaust line, is still at least one solid substrate layer 41 on the last insulation layer 39 printed or attached as a film. The solid substrate layer 41 has a total of five recesses 42 on, which is congruent with the recesses 40 in the insulation layer 39 are. The solid substrate layer 41 has the same diameter in the embodiment as the supporting substrate layer 20 while the insulation layers 22 . 34 and 39 have a smaller diameter on the other hand.
Dadurch
liegen die beiden Substratschichten 20 und 41 im
Randbereich übereinander und können direkt zusammensintern,
so dass eine mechanisch sehr feste Verbindung entsteht. Die Abmessung
der festen Substratschicht 41 ist jedoch nicht an die der ersten
Substratschicht 20 gebunden. Wichtig ist nur, dass sie
im Durchmesser größer ist als der darunterliegende
Schichtaufbau, so dass ihre randseitige Versinterung mit der tragenden
Substratschicht 20 gewährleistet ist. Die feste
Substratschicht 41 kann aus dem gleichen Material bestehen
wie die tragende Substratschicht 20. Besteht die feste
Substratschicht 41 aus einem elektrisch nicht isolierendem
Material, z. B. (ZrO2), so kann zusätzlich
mindestens eine Isolationsschicht (nicht dargestellt) auf die feste
Substratschicht 41 aufgebracht werden. Diese Isolationsschicht
enthält die gleichen Aussparungen wie die feste Substratschicht 41,
wobei die Abmessungen der Aussparungen aber etwas kleiner gemacht
sind als die in der festen Substratschicht 41. Dadurch kann
eine gute Isolation zwischen den elektrischen Leitern 17 gewährleistet
und die Anforderung an deren Positionierungsgenauigkeit reduziert
werden. Das so aufgebaute Sensorelement 12 wird nunmehr einem
Sinterprozess ausgesetzt, in dem die Bereiche aus Paste ausbrennen
und so die Hohlräume 31 und 47 entstehen.
Die Hohlräume 31, 47 sind in der in 2 skizziertem
Explosionsdarstellung des Sensorelements 12 als oberhalb
der Elektroden 24 bzw. 25 liegende Flächen
angedeutet. Nunmehr werden die elektrischen Leiter 17 der
Anschlussleitung 18 durch die Aussparungen 24, 40 und 35 hindurch
direkt auf die Kontaktflächen 27, 28, 29 der
Elektroden 24, 25, 26 und auf die Anschlusskontakte 37, 38 des
Heizmäanders 36 kontaktiert, wobei die Kontaktierung durch
Stoffschluss erfolgt. Stoffschluss kann durch Löten oder
Schweißen (Laser- oder Spaltschweißen) oder durch
Kleben mit einem leitfähigen und hochtemperaturbeständigen
Kleber erreicht werden. Vor der stoffschlüssigen Verbindung
werden die Leiter ggf. plan gedrückt, um einen großflächigen
Kontakt zu ermöglichen und, wenn nötig, in der
Kontaktposition mechanisch fixiert.This causes the two substrate layers 20 and 41 in the edge area one above the other and can sinter together directly, so that a mechanically very strong connection is formed. The dimension of the solid substrate layer 41 however, it is not the one of the first substrate layer 20 bound. It is only important that it is larger in diameter than the underlying layer structure, so that their edge-side sintering with the supporting substrate layer 20 is guaranteed. The solid substrate layer 41 may be made of the same material as the supporting substrate layer 20 , Is the solid substrate layer 41 made of an electrically non-insulating material, for. B. (ZrO 2 ), so in addition at least one insulating layer (not shown) on the solid substrate layer 41 be applied. This insulation layer contains the same recesses as the solid substrate layer 41 However, the dimensions of the recesses are made slightly smaller than those in the solid substrate layer 41 , This allows a good insulation between the electrical conductors 17 guaranteed and the requirement for their positioning accuracy can be reduced. The sensor element constructed in this way 12 is now subjected to a sintering process in which burn out the areas of paste and so the cavities 31 and 47 arise. The cavities 31 . 47 are in the in 2 sketched exploded view of the sensor element 12 as above the electrodes 24 respectively. 25 lying surfaces indicated. Now the electrical conductors 17 the connection line 18 through the recesses 24 . 40 and 35 through directly onto the contact surfaces 27 . 28 . 29 the electrodes 24 . 25 . 26 and on the connection contacts 37 . 38 the heating meander 36 contacted, wherein the contact is made by material bond. Bonding can be achieved by soldering or welding (laser or gap welding) or by gluing with a conductive and high-temperature-resistant adhesive. Before the cohesive connection, the conductors are possibly pressed flat to allow large-area contact and, if necessary, fixed mechanically in the contact position.
Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel des Sensorelements 12 gemäß 1 bis 3 ist
eine Breitband-Lambdasonde realisiert. Wird auf die Elektrode 25 mit
Diffusionsbarriere 30 verzichtet, so arbeitet der Gassensor
als Sprung- oder λ = 1-Sonde. Entfällt die Elektrode 24 oder
entfällt die Elektrode 25 und wird zugleich die
Diffusionsbarriere 30 in den Hohlraum 31 verlegt,
so ist der Gassensor eine Grenzstromsonde oder Magersonde nach dem Grenzstromprinzip.
Zugleich kann auch auf den Heizmäander verzichtet werden.
Die Heizung der Sensorelemente erfolgt dann durch das heiße
Abgas der Brennkraftmaschine.In the described embodiment of the sensor element 12 according to 1 to 3 is realized a broadband lambda probe. Will be on the electrode 25 with diffusion barrier 30 omitted, the gas sensor works as a jump or λ = 1 probe. Does not the electrode 24 or eliminates the electrode 25 and at the same time becomes the diffusion barrier 30 in the cavity 31 laid, so the gas sensor is a limit current probe or Magersonde after the limiting current principle. At the same time can be dispensed with the Heizmäander. The heating of the sensor elements is then carried out by the hot exhaust gas of the internal combustion engine.
Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Gassensors ist die gasdichte Einbindung des Sensorelements 12 in
das Gehäuse 11 wiederum mittels eines Rings vorgenommen,
der im Ausführungsbeispiel der 4 aber ein
Metallring 43 ist. Der Metallring 43 umgreift
in gleicher Weise wie der Keramikring 13 in 1 das
flache scheibenförmige Sensorelement 12. Dies
ist stoffschlüssig, beispielsweise durch die Glaseinschmelzung 14,
in den Metallring 43 eingebunden. Ist das Material der
Substratschichten 20 und 41 nicht elektrisch isolierend,
so wird durch die Glaseinschmelzung 14 eine elektrische
Isolation zwischen dem Sensorelement 12 und dem Metallring 43 hergestellt.
Der gehäuseseitige Rohrflansch 111 und der schutzrohrseitige
Rohrflansch 151 liegen auf den voneinander abgekehrten Ringflächen
des Metallrings 43 auf und sind mit dem Metallring 43 stoffschlüssig,
vorzugsweise durch Schweißen verbunden. Die Rohrflansche 111, 151 bilden
wiederum zusammen mit dem Metallring 43 den Montageflansch 16 des
Gassensors. Im übrigen stimmt der Gassensor gemäß 4 mit
dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Gassensor überein,
so dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.At the in 4 illustrated embodiment of the gas sensor is the gas-tight integration of the sensor element 12 in the case 11 again made by means of a ring, which in the embodiment of the 4 but a metal ring 43 is. The metal ring 43 surrounds in the same way as the ceramic ring 13 in 1 the flat disc-shaped sensor element 12 , This is cohesive, for example by the Glaseinschmelzung 14 , in the metal ring 43 involved. Is the material of the substrate layers 20 and 41 not electrically insulating, so is by the Glaseinschmelzung 14 an electrical insulation between the sensor element 12 and the metal ring 43 produced. The housing-side pipe flange 111 and the protective pipe side pipe flange 151 lie on the mutually averted annular surfaces of the metal ring 43 on and are with the metal ring 43 cohesively, preferably connected by welding. The pipe flanges 111 . 151 turn together with the metal ring 43 the mounting flange 16 of the gas sensor. Otherwise, the gas sensor is correct according to 4 with in conjunction with 1 described gas sensor, so that the same components are provided with the same reference numerals.
Bei
dem Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß 5 ist
im Schutzrohr 15 vom Rohrflansch 151 her eine
Vertiefung 44 eingeformt, wodurch zwischen dem rohrseitigen
Rohrflansch 151 und dem zylindrischem Teil des Schutzrohrs 15 eine umlaufende
Schulter 152 entsteht. Das flache, scheibenförmige
Sensorelement 12 liegt über eine stoffschlüssige
Einbindung, z. B. in Form der Glaseinschmelzung 14, formschlüssig
in der Vertiefung 44 ein, wobei es einerseits auf der Schulter 152 am Schutzrohr 15 aufliegt
und andererseits auf seiner davon abgekehrten Seite randseitig von
dem gehäuseseitigen Rohrflansch 111 übergriffen
wird. Die beiden Rohrflansche 111 und 151 an Gehäuse 11 und Schutzrohr 15 liegen
aufeinander und sind miteinander stoffschlüssig verbunden,
so dass auch hier wiederum Gasdichtheit zwischen der dem Messgas
im Schutzrohr 15 ausgesetzten Seite des Sensorelements 12 und
der davon abgekehrten, dem Referenzgas ausgesetzten Seite des Sensorelements 12, auf
der die Kontaktierung des Sensorelements 12 vorgenommen
ist, besteht. Im weiteren entspricht der Gassensor gemäß 5 dem
Gassensor in 1 und 4.In the embodiment of the gas sensor according to 5 is in the protective tube 15 from the pipe flange 151 a deepening 44 formed, whereby between the pipe side pipe flange 151 and the cylindrical part of the protective tube 15 a circumferential shoulder 152 arises. The flat, disc-shaped sensor element 12 lies over a material integration, z. B. in the form of Glaseinschmelzung 14 , positively in the recess 44 one, on the one hand on the shoulder 152 on the protective tube 15 rests and on the other hand on its side facing away from the edge of the housing side pipe flange 111 is overruled. The two pipe flanges 111 and 151 to housing 11 and protective tube 15 lie on each other and are connected to each other cohesively, so that here as well derum gas tightness between the sample gas in the protective tube 15 exposed side of the sensor element 12 and the side facing away from the reference gas, the reference gas exposed to the sensor element 12 on which the contacting of the sensor element 12 is made. Furthermore, the gas sensor according to 5 the gas sensor in 1 and 4 ,
Bei
dem Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß 6 ist
die gasdichte Aufnahme des Sensorelements 12 im Gehäuse 11 dadurch
erreicht, dass das flache, scheibenförmige Sensorelement 12 zusammen
mit einer Ausgleichsscheibe 45 zwischen den beiden Rohrflanschen 111 und 151 an
Gehäuse 11 und Schutzrohr 15 eingespannt
ist. Die Pressspannung wird dadurch bewirkt, dass der schutzrohrseitige
Rohrflansch 151 auf den gehäuseseitigen Rohrflansch 111 um
Sensorelement 12 und Ausgleichscheibe 45 herum
umgebördelt ist. Zusätzlich wird eine weitere
Erhöhrung der Pressspannung durch das Einschraubmoment
im Anschlußstutzen erreicht. Die weiteren Bauteile stimmen
mit denen in 1, 4 und 5 überein,
wobei eine Voraussetzung dieser Verbauung des Sensorelement 12 elektrisch
isolierende Substratschichten 21, 41 sind.In the embodiment of the gas sensor according to 6 is the gas-tight recording of the sensor element 12 in the case 11 achieved in that the flat, disc-shaped sensor element 12 together with a shim 45 between the two pipe flanges 111 and 151 to housing 11 and protective tube 15 is clamped. The compressive stress is caused by the protective pipe side pipe flange 151 on the housing side pipe flange 111 around sensor element 12 and shim 45 is flanged around. In addition, a further increase in the compressive stress is achieved by the screwing in the connection piece. The other components agree with those in 1 . 4 and 5 match, with a prerequisite of this obstruction of the sensor element 12 electrically insulating substrate layers 21 . 41 are.
Der
Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 7 ist insoweit modifiziert, als das flache, kreisscheibenförmige
Sensorelement 12 in einem Hohlzylinder 46 aus
Keramik oder Metall aufgenommen ist, der tief in das Schutzrohr 15 hineinragt.
Der Hohlzylinder 46 ist an seinem einen Zylinderende mit einem
Ringflansch 461 und an seinem anderen Zylinderende mit
einem nach innen vorspringenden Bodenring 462 versehen.
Das Sensorelement 12 ist stoffschlüssig, z. B.
mit einer Glaseinschmelzung 14 ähnlich wie in 1,
in dem Hohlzylinder 46 aufgenommen und liegt auf dem Bodenring 462 auf.
Vorzugsweise ist das Sensorelement 12 mit dem Bodenring 462 stoffschlüssig,
z. B. durch die Glaseinschmelzung 14 verbunden. Der Ringflansch 461 des Hohlzylinders 46 ist
auf seiner Oberseite von dem Rohrflansch 111 des Gehäuses 11 abgedeckt
und liegt mit seiner Unterseite auf dem Rohrflansch 151 des
Schutzrohrs 15 auf. Der Rohrflansch 151 des Schutzrohrs 15 ist
um den Außenrand des Ringflansches 461 herum bis
zum Rohrflansch 111 hin umgebördelt und mit letzterem
stoffschlüssig verbunden. Diese konstruktive Gestaltung
der Verbindung von Sensorelement 12 und Gehäuse 11 hat
den Vorteil, dass das Sensorelement 12 tiefer, vorzugsweise
mittig, in einem Messgasstrom angeordnet werden kann und es dadurch
sehr gut vom Messgas umströmt wird. Im Falle eines metallischen
Hohlzylinders 46 ist ein elektrisch isoliertes Sensorelement 12 oder
eine elektrische Isolation zwischen Sensorelement 12 und Hohlzylinder 46 erforderlich,
die durch die Glaseinschmelzung 14 vorgenommen werden kann.The gas sensor according to the embodiment in 7 is modified insofar as the flat, circular disk-shaped sensor element 12 in a hollow cylinder 46 made of ceramic or metal, which is deep in the protective tube 15 protrudes. The hollow cylinder 46 is at its one cylinder end with a ring flange 461 and at its other cylinder end with an inwardly projecting bottom ring 462 Mistake. The sensor element 12 is cohesive, z. B. with a Glaseinschmelzung 14 similar to in 1 in which hollow cylinder 46 picked up and lies on the bottom ring 462 on. Preferably, the sensor element 12 with the bottom ring 462 cohesive, z. B. by the Glaseinschmelzung 14 connected. The ring flange 461 of the hollow cylinder 46 is on its top of the pipe flange 111 of the housing 11 covered and lies with its underside on the pipe flange 151 of the protective tube 15 on. The pipe flange 151 of the protective tube 15 is around the outer edge of the ring flange 461 around to the pipe flange 111 flanged towards and connected to the latter cohesively. This constructive design of the connection of sensor element 12 and housing 11 has the advantage that the sensor element 12 deeper, preferably centered, can be arranged in a sample gas flow and it is thus very well flowing around the sample gas. In the case of a metallic hollow cylinder 46 is an electrically insulated sensor element 12 or an electrical insulation between the sensor element 12 and hollow cylinders 46 required by the glass fusion 14 can be made.
Anders
als in 1 sind die Gassensoren gemäß 4 bis 7 als
Sprungsonden konzipiert, bei denen im Sensorelement 12 die
Elektrode 25 mit vorgeordneter Diffusionsbarriere 30 fehlt.
Demzufolge sind nur vier elektrische Leiter 17 der Anschlußleitung 18 vorhanden.
Zwei elektrische Leiter 17 sind auf die den beiden verbundenen
Elektroden 24, 26 zugeordneten Kontaktflächen 27 und 29 und
zwei elektrische Leiter 17 auf die Anschlusskontakte 37, 38 des
Heizmäanders 36 kontaktiert.Unlike in 1 are the gas sensors according to 4 to 7 designed as jump probes, where in the sensor element 12 the electrode 25 with upstream diffusion barrier 30 is missing. As a result, only four electrical conductors 17 the connection line 18 available. Two electrical conductors 17 are on the two connected electrodes 24 . 26 associated contact surfaces 27 and 29 and two electrical conductors 17 on the connection contacts 37 . 38 the heating meander 36 contacted.
Bei
allen Gassensoren gemäß 1 bis 7 kann
die dem Abgas ausgesetzte freie Oberfläche der tragenden
Substratschicht 20 mit einer Schicht aus porösem
keramischen Material belegt sein. Dadurch wird ein Schutz des Sensorelements 12 gegen
Thermoschock erreicht. Ein solcher Thermoschock entsteht durch Auftreten
von im Abgas mitgeführten, kalten Wassertröpfchen
auf das heiße Sensorelement 12 und führt
zu Rissen in den Keramiken des Sensorelements 12, was eine
Funktionsbeeinträchtigung bis hin zum Totalausfall zur
Folge hat.For all gas sensors according to 1 to 7 can the free surface of the supporting substrate layer exposed to the exhaust gas 20 be covered with a layer of porous ceramic material. This will protect the sensor element 12 achieved against thermal shock. Such a thermal shock is caused by occurrence of entrained in the exhaust, cold water droplets on the hot sensor element 12 and leads to cracks in the ceramics of the sensor element 12 , resulting in a functional impairment up to total failure.
Abweichend
von dem beschriebenen Aufbau des Sensorelements 12, bei
dem alle Elektroden 24, 25, 26 mit Kontaktflächen 27, 28, 29 in
einer Schichtebene zwischen der mit der ersten Isolationsschicht 22 belegten,
tragenden Substratschicht 20 und der zweiten Isolationsschicht 34 angeordnet
sind, kann auch ein konventioneller Aufbau des Sensorelements mit
Anordnung der Elektroden in verschiedenen Schichtebenen vorgesehen
werden. Auch in diesem Fall ist die tragende Substratschicht 20 mit
axialem Gaszutrittsloch 32 vorhanden, die eine Abschirmung
des Abgases von der oberen, dem Referenzgas ausgesetzten Seite des
Sensorelements bewirkt. Bei einer Konzeption des Sensorelements
für eine Sprungsonde wäre dann die Außenelektrode
auf der von Abgas abgekehrten Rückseite der Substratschicht 20 bzw.
auf der die Substratschicht 20 abdeckenden Isolationsschicht 22 angeordnet
und über das Gaszutrittsloch 32 vom Abgas beaufschlagt. Eine
darauf angeordnete Festelektrolytschicht trägt die dem
Referenzgas ausgesetzte Referenzelektrode. In den verschiedenen
Schichten sind wiederum Aussparungen zum direkten Kontaktieren der
den Elektroden in der jeweiligen Schichtebene zugeordneten Kontaktflächen
vorgehalten.Notwithstanding the described construction of the sensor element 12 in which all electrodes 24 . 25 . 26 with contact surfaces 27 . 28 . 29 in a layer plane between the one with the first insulation layer 22 occupied, supporting substrate layer 20 and the second insulation layer 34 are arranged, a conventional structure of the sensor element can be provided with arrangement of the electrodes in different layer planes. Also in this case is the supporting substrate layer 20 with axial gas inlet hole 32 present, which causes a shielding of the exhaust gas from the upper, the reference gas exposed side of the sensor element. In a conception of the sensor element for a jump probe, the outer electrode would then be on the rear side of the substrate layer facing away from the exhaust gas 20 or on the substrate layer 20 covering insulation layer 22 arranged and over the gas access hole 32 acted upon by the exhaust gas. A solid electrolyte layer disposed thereon carries the reference electrode exposed to the reference gas. Recesses for directly contacting the contact surfaces assigned to the electrodes in the respective layer plane are again provided in the various layers.
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