DE10339967A1

DE10339967A1 - Mehrschicht-Gassensorelement

Info

Publication number: DE10339967A1
Application number: DE10339967A
Authority: DE
Inventors: Akio Kariya Tanaka; Toru Kariya Katafuchi; Keigo Nishio Mizutani; Daisuke Nishio Makino
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2004-04-15
Also published as: US20040069630A1; US7316767B2

Abstract

Es wird ein Mehrschicht-Gassensorelement mit einer hohen Messgenauigkeit angegeben, das weitgehend unempfindlich gegenüber Leckströmen ist. Das Gassensorelement umfasst eine Sauerstoff-Pumpzelle zur Einstellung einer Sauerstoffkonzentration in einer Messgaskammer, eine Sensorzelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration in der Messgaskammer sowie ein Heizelement zur Erwärmung der Zellen auf eine Aktivierungstemperatur. Das Heizelement umfasst einen Wärmegenerator, der bei Erregung Wärme erzeugt, einen externen Heizelementanschluss und eine Heizelement-Zuleitung zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Wärmegenerator und dem Heizelementanschluss. Bei einem elektrischen Widerstandswert RH des Wärmegenerators und einem elektrischen Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung werden diese Werte derart festgelegt, dass die Bedingung 1,5 RH/RL erfüllt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrschicht-Gassensorelement, das im Abgassystem der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen Verwendung finden und zur Ermittlung der Konzentration von NOx oder dergleichen dienen kann, und betrifft weiterhin ein Gassensorelement, das in einem zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und anderen Verwendungszwecken dienenden Gassensor angeordnet ist.
Die durch Abgase der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und dergleichen hervorgerufene Luftverschmutzung wirft in der heutigen Zeit schwerwiegende Probleme auf, was wiederum zur Folge hat, dass die Emissionsauflagen, d.h., die Reinigungs-Standardwerte für in den Abgasen enthaltene Schadstoffe wie NOx und dergleichen, Jahr um Jahr immer mehr verschärft werden.
In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, dass sich eine effektivere Abgasreinigung erzielen lässt, wenn die Konzentration von NOx im Abgas gemessen und das Messergebnis auf ein Überwachungssystem für die Regelung des in der Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennungsvorgangs, ein Katalysator-Überwachungssystem oder dergleichen rückgekoppelt werden. Dies erfordert jedoch ein Gassensorelement, mit dessen Hilfe eine genaue Ermittlung der NOx-Konzentration im Abgas möglich ist.
In 26 ist ein Mehrschicht-Gassensorelement bekannter Art veranschaulicht.
Wie 26 zu entnehmen ist, ist in dem allgemein mit der Bezugszahl 9 bezeichneten Mehrschicht- oder Vielschicht-Gassensorelement eine Sauerstoff-Pumpzelle 92 gegenüber einer ersten Messgaskammer 11 angeordnet und pumpt bei Zuführung einer Spannung im Inneren der ersten Messgaskammer 11 befindlichen Sauerstoff in den Außenbereich des Gassensorelements oder pumpt Sauerstoff aus dem Außenbereich des Gassensorelements in das Innere der ersten Messgaskammer 11.
Außerdem ist eine Sauerstoff-Überwachungszelle 93 vorgesehen, die zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration im Inneren der ersten Messgaskammer 11 dient und die Sauerstoff-Pumpzelle 92 durch Rückkopplung derart regelt, dass die von der Sauerstoff-Überwachungszelle 93 ermittelte Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 11 einen stationären Zustand annimmt.
Weiterhin ist in einer mit der ersten Messgaskammer 11 in Verbindung stehenden zweiten Messgaskammer 12 eine Sensorzelle 94 zur Messung der Konzentration von NOx vorgesehen, was durch Messung eines Ionenstroms auf Grund von Sauerstoffionen erfolgt, die durch die Aufspaltung von NOx an einer Elektrode erzeugt werden.
Da die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 11 in der vorstehend beschriebenen Weise auf einen stationären Zustand eingeregelt wird, wird auch die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 12 konstant. Die Menge an Sauerstoffionen, die sich zwischen den Elektroden der Sensorzelle 94 bewegen, d.h., der Betrag des Sauerstoffionenstroms in der Sensorzelle 94, entspricht somit der Konzentration von NOx.
Auf diese Weise lässt sich die NOx-Konzentration eines in die erste Messgaskammer 11 und die zweite Messgaskammer 12 eingeführten Messgases unabhängig von einer Zunahme/Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre (Umgebungsluft) außerhalb des Gassensorelements mit hoher Genauigkeit messen.
Bei diesem Mehrschicht-Gassensorelement können jedoch die aus der Sauerstoff-Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle bestehenden Zellen ihre Funktion nicht erfüllen, bevor sie nicht auf eine Aktivierungstemperatur erwärmt sind.
Für die Erwärmung der Zellen ist das Mehrschicht-Gassensorelement 9 in der in 26 veranschaulichten Weise in integrierter Bauweise mit einem Heizelement 19 versehen, das einen Wärmegenerator 191, der in Abhängigkeit von zugeführtem Strom Wärme erzeugt, sowie eine Heizelement-Anschlussleitung (Zuleitung) 192 aufweist.
Wenn bei diesem Heizelement 19 nur eine geringe Differenz zwischen den elektrischen Widerstandswerten des Wärmegenerators 191 und der Heizelement-Zuleitung 192 besteht, erzeugt auch die Heizelement-Zuleitung 192 Wärme bis zu einer Temperatur, die dicht bei derjenigen des Wärmegenerators 191 liegt. Dies führt zu einem Temperaturanstieg im Bereich der Heizelement-Zuleitung 192, sodass dessen elektrischer Widerstandswert abfällt und hierdurch eine Situation entsteht, in der ein Leckstrom fließen kann.
Darüber hinaus stellt bei diesem Mehrschicht-Gassensorelement der über die Sauerstoff-Überwachungszelle oder die Sensorzelle fließende Strom einen winzigen Strom in der Größenordnung von μA dar, sodass sich die Messgenauigkeit bereits beim Fließen eines sehr kleinen Leckstroms verschlechtern kann.
In Bezug auf ein Gassensorelement, das in einem zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und für andere Verwendungszwecke vorgesehenen Gassensor angeordnet ist, sind viele derartige Elemente bekannt, wie z.B. das aus der japanischen Patentschrift Nr. 2885336 bekannte Element.
Nachstehend wird auf ein Beispiel für ein Gassensorelement für die Steuerung der Verbrennungsvorgänge in einer Brennkraftmaschine oder dergleichen unter Bezugnahme auf 27 näher eingegangen.
Wie 27 zu entnehmen ist, umfasst dieses, allgemein mit der Bezugszahl 509 bezeichnete Gassensorelement ein Heizelementsubstrat 515, einen auf dem Heizelementsubstrat 515 ausgebildeten Wärmegenerator 561, der bei Erregung Wärme erzeugt, ein Heizelement 506 mit einer mit dem Wärmegenerator 561 elektrisch verbundenen (nicht dargestellten) Heizelement-Zuleitung, ein Distanzstück 514 für eine Referenzgaskammer 5140, in die ein Referenzgas eingeführt wird, eine Pumpzellen-Festelektrolytplatte 513 zur Bildung einer Pumpzelle 502, ein Distanzstück 512 für eine Messgaskammer 5122, in die ein Messgas aus dem Außenbereich eingeführt wird, eine weitere eingefügte Elektrolytplatte 511 zur Bildung einer Sensorzelle 504 und einer Überwachungszelle 503 sowie ein Distanzstück 516 für eine weitere Referenzgaskammer 5160, wobei diese Bauelemente in Form einer mehrschichtigen Anordnung zusammengefügt (übereinander angeordnet) sind.
Bei dieser Anordnung dient die Sensorzelle 504 zur Messung einer spezifischen Gaskonzentration, wie der NOx-Konzentration eines Messgases, während die Überwachungszelle 503 zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration des Messgases dient. Außerdem sind in der in den 28A und 28B veranschaulichten Weise Pumpzellen-Zuleitungen 5211 und 5221 der Pumpzelle 502 in zentralen Bereichen in der Breitenrichtung der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 513 angeordnet.
Eine der die Sensorzelle 504 bildenden Elektroden ist gegenüber der Messgaskammer 5122 angeordnet, wobei ein spezifisches Gas im Inneren der Messgaskammer 5122 an der Elektrodenoberfläche aufgespaltet wird, sodass die Konzentration des spezifischen Gases auf der Basis eines Stroms gemessen wird, der durch die erzeugten Sauerstoffionen entsteht. In ähnlicher Weise umfasst die Überwachungszelle 503 eine der Messgaskammer 5122 gegenüberliegende Elektrode, bei der Sauerstoff an der Elektrodenoberfläche ionisiert und sodann die Sauerstoffkonzentration mit Hilfe des durch die erzeugten Sauerstoffionen entstehenden Stroms gemessen wird.
Der über die Überwachungszelle 503 und die Sensorzelle 504 fließende Strom ist jedoch sehr schwach und liegt üblicherweise unter 10 μA. Der über den Wärmegenerator 561 oder die Heizelement-Zuleitung des Heizelements 506 fließende Strom nimmt dagegen so hohe Werte wie 10 A oder weniger an.
Bei den meisten Gassensorelementen ist zwischen dem Heizelement 506 und den Elektroden der Sensorzelle 504 oder der Überwachungszelle 503 ein Isoliermaterial oder dergleichen zur Vergrößerung des elektrischen Widerstands eines sich zwischen dem Heizelement 506 und der Sensorzelle 504 oder der Überwachungszelle 503 bildenden elektrischen Leitungsweges bzw. Strompfades angeordnet (bei der Anordnung gemäß 27 kann das Distanzstück 514 oder 512 aus einem Isoliermaterial bestehen). Eine Verringerung des Leckstroms zwischen dem Heizelement 506 und der Sensorzelle 504 oder Überwachungszelle 503 auf den Wert 0 ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden.
Außerdem kann die Auswirkung eines auch nur geringen Leckstromes auch auf Grund der Tatsache nicht ignoriert werden, dass der über die Sensorzelle 504 oder die Überwachungszelle 503 fließende Sauerstoffionenstrom – wie vorstehend beschrieben – sehr schwach ist, sodass ein Leckstrom zu einer erheblichen Verschlechterung der Messgenauigkeit des Gassensorelements führen kann.

Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Mehrschicht-Gassensorelement anzugeben, das eine von Leckströmen weitgehend unbeeinträchtigte hohe Messgenauigkeit aufweist, wobei diese hohe Messgenauigkeit insbesondere gegenüber dem vom Heizelement hervorgerufenen Leckstrom weitgehend unempfindlich sein soll.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Mehrschicht-Gassensorelement eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird, eine Sauerstoff-Pumpzelle, bei der zwei Elektroden an Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und bei Erregung der beiden Elektroden zur Einstellung einer Sauerstoffkonzentration im Inneren der Messgaskammer Sauerstoff in die Messgaskammer eingeführt oder Sauerstoff aus der Messgaskammer abgeführt wird, eine Sensorzelle, bei der zwei Elektroden an Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration im Inneren der Messgaskammer auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden auftretenden Sauerstoffionenstroms dient, und ein Heizelement zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle und der Sensorzelle auf eine Aktivierungstemperatur, das einen Wärmegenerator zur Erzeugung von Wärme bei Erregung, einen an der Außenseite des Mehrschicht-Gassensorelements angeordneten Heizelement-Anschluss, und eine Heizelement-Zuleitung zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Wärmegenerator und dem Heizelement-Anschluss aufweist, wobei bei einem elektrischen Widerstandswert RH des Wärmegenerators und einem elektrischen Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung die Widerstandswerte RH und RL derart festgelegt sind, dass die Bedingung 1,5 ≤ RH/RL erfüllt ist.

Nachstehend wird auf die vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung näher eingegangen.

Bei dem erfindungsgemäßen Mehrschicht-Gassensorelement ist die Beziehung 1,5 ≤ RH/RL zwischen dem elektrischen Widerstandswert RH des Wärmegenerators und dem elektrischen Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung gegeben. Bei Stromzufuhr erzeugen der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung jeweils Wärme entsprechend ihrem elektrischen Widerstandswert. Wenn davon ausgegangen wird, dass der elektrische Widerstandswert des Wärmegenerators im Vergleich zu demjenigen der Heizelement-Zuleitung relativ gering ist, ergibt sich, dass von der Heizelement-Zuleitung eine relativ hohe Wärmemenge erzeugt wird.

Weiterhin fällt im allgemeinen bei einem keramischen Material, wie Aluminiumoxid oder Zirkondioxid, dessen elektrischer Widerstandswert bei einem Temperaturanstieg ab, was das Fließen eines Stroms erleichtert. Aus diesem Grund zeigt ein Bereich, dessen elektrischer Widerstandswert auf Grund einer Erwärmung durch die Heizelement-Zuleitung abfällt, die Tendenz, einen Leckstrompfad zu bilden.

Erfindungsgemäß wird der elektrische Widerstandswert der Heizelement-Zuleitung derart eingestellt, dass er in Bezug auf den elektrischen Widerstandswert des Wärmegenerators unter RH/1,5 liegt, um die von der Heizelement-Zuleitung erzeugte Wärmemenge zu verringern und damit die Temperatur in der Nähe der Heizelement-Zuleitung herabzusetzen, wodurch sich der Bereich verkleinert, der eine Tendenz zur Bildung eines Leckstrompfades zeigt, sodass auf diese Weise das Auftreten eines Leckstroms unterdrückt und die Beeinflussung der Sensorzelle durch den Leckstrom verringert werden kann.

Erfindungsgemäß wird somit ein Mehrschicht-Gassensorelement erhalten, das eine von Leckströmen weitgehend unbeeinträchtigte hohe Messgenauigkeit aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Mehrschicht-Gassensorelement sind ein Wärmegenerator und eine Heizelement-Zuleitung in Form eines dünnen Leiterschichtmusters auf einem Substrat ausgebildet (siehe z.B. 3).

Bei diesem Mehrschicht-Gassensorelement erzeugt der Wärmegenerator bei Erregung grundsätzlich eine große Wärmemenge, um eine Sauerstoff-Pumpzelle, eine Sensorzelle, eine Sauerstoff-Überwachungszelle, andere Festelektrolytplatten, deren Betriebszustand temperaturabhängig ist, sowie verschiedene elektrochemische Zellen mit jeweils zwei Elektroden (z.B. eine zweite Pumpzelle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel) auf eine Aktivierungstemperatur zu erwärmen, bei der sie betrieben werden können, oder um die Aktivierungstemperatur aufrecht zu erhalten.

Darüber hinaus ist der Wärmegenerator in der in den 3 bis 6 veranschaulichten Weise derart ausgestaltet, dass er leichter Wärme erzeugt und abgibt als die Heizelement-Zuleitung. Die Heizelement-Zuleitung bzw. Heizelement-Leiterbahn weist hierbei eine große Breite auf, um auf diese Weise einen leichten Stromfluss zu gewährleisten.

Bei dem erfindungsgemäßen Mehrschicht-Gassensorelement wird vorzugsweise der obere Grenzwert von RH/RL auf 10 eingestellt. Wenn dieser Wert überschritten wird, nimmt der elektrische Gesamtwiderstand des Wärmegenerators und der Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) einen zu hohen Wert an, sodass die Möglichkeit besteht, dass die anzulegende Spannung zu hoch wird. Vorzugsweise gilt daher 2 ≤ RH/RL ≤ 5.

Das erfindungsgemäße Mehrschicht-Gassensorelement ist bei einem NOx-Sensorelement, einem CO-Sensorelement und/oder einem HC-Sensorelement mit zwei oder mehr Zellen verwendbar.

Vorzugsweise bestehen der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn aus Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung der elektrischen Widerstandswerte des Wärmegenerators und der Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn.

Wenn der elektrische Widerstandswert durch Änderung des verwendeten Materials verändert werden soll, bestehen der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung vorzugsweise aus einem metallkeramischen Verbundwerkstoff, der Pt enthaltende Metallpartikel und Aluminiumoxid enthaltende Keramikpartikel aufweist, wobei der Anteil der Keramikpartikel in dem den Wärmegenerator bildenden metallkeramischen Verbundwerkstoff größer als der Anteil der Keramikpartikel in dem die Heizelement-Zuleitung bildenden metallkeramischen Verbundwerkstoff ist.

Die metallischen Partikel bestehen aus einem elektrischen Leiter, während die keramischen Partikel aus einem Isoliermaterial bestehen, sodass bei Herstellung eines Gemisches beider Partikel mit einem geeigneten jeweiligen Anteil der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung oder -Leiterbahn auf einfache Weise mit vorgegebenen elektrischen Widerstandswerten versehen werden können.

Außerdem besteht der Körper des Heizelements im allgemeinen aus Aluminiumoxid, sodass bei Verwendung des gleichen Materials bei dem Wärmegenerator oder der Heizelement-Zuleitung oder -Leiterbahn eine bessere Verbindung zwischen ihnen erhalten werden kann, sodass sich Störungen wie Rissbildung, Abblättern und dergleichen verringern.

Vorzugsweise wird der Anteil der keramischen Partikel des metallkeramischen Verbundwerkstoffs (Cermet-Material) für den Wärmegenerator auf 5 bis 15 Gew.-% festgelegt. Wenn der Anteil der keramischen Partikel unter 5 Gew.-% abfällt, können sich die Verbindungseigenschaften mit dem Körper des Heizelements verschlechtern, während bei einem über 15 Gew.-% liegenden Anteil der keramischen Partikel auf Grund der häufigen Ausgestaltung des Wärmegenerators mit einer geringen Breite Unterbrechungen auftreten können.

In Bezug auf die Pt enthaltenden metallischen Partikel kann ein nur Pt-Partikel enthaltendes Pulver oder aber auch ein Pulver aus einer Mischung von Pt und Rh (Rhodium) in Betracht gezogen werden.

Weiterhin können für die Aluminiumoxid enthaltenden keramischen Partikel aus einem Aluminiumoxidpulver bestehende keramische Partikel oder keramische Partikel in Betracht gezogen werden, die aus dem Pulver eines Gemischs aus Aluminiumoxid und Zirkondioxid bestehen.

Vorzugsweise ist die Dicke des Wärmegenerators geringer als die Dicke der Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn.

Hierdurch lassen sich auf einfache Weise ein Wärmegenerator und eine Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn herstellen, die jeweils einen gewünschten elektrischen Widerstandswert aufweisen. Außerdem werden der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn aus dem gleichen metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet-Material) hergestellt, was ihre Herstellung vereinfacht.

Vorzugsweise beträgt die Dicke des Wärmegenerators 20 bis 70 μm. Bei einer unter 20 μm liegenden Dicke besteht die Möglichkeit, dass Unterbrechungen auftreten oder dass der elektrische Widerstandswert übermäßig ansteigt, sodass eine übermäßig hohe Spannung angelegt werden müsste. Wenn dagegen die Dicke 70 μm übersteigt, kann die gleichmäßige Ausbildung seines Musters mit Schwierigkeiten verbunden sein.

Außerdem umfasst das Gassensorelement vorzugsweise eine Sauerstoff-Überwachungszelle, bei der zwei Elektroden an der Oberfläche einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration im Inneren der Messgaskammer auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden auftretenden Stroms oder einer zwischen den beiden Elektroden auftretenden Quellenspannung dient. Hierdurch wird eine Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer ermöglicht.

Außerdem umfasst das Mehrschicht-Gassensorelement zusätzlich zu einer Anordnung, bei der z.B. der Betrieb der Sauerstoff-Pumpzelle dahingehend gesteuert wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer in einen vorgegebenen Bereich fällt, eine weitere Anordnung, durch die ein zwischen zwei Elektroden einer Sensorzelle fließender Sauerstoffionenstrom genauer einer zu messenden spezifischen Gaskonzentration entspricht.

In diesem Zusammenhang dient die zur Messung einer Sauerstoffkonzentration auf der Basis eines Stromwertes ausgestaltete Sauerstoff-Überwachungszelle als Sauerstoffsensor des Grenzstromtyps, während die zur Messung einer Sauerstoffkonzentration auf der Basis einer Quellenspannung (EMK) ausgestaltete Sauerstoff-Überwachungszelle als Sauerstoffsensor der eine Quellenspannung (EMK) in Abhängigkeit von einer Sauerstoffkonzentration erzeugenden Art dient (siehe 1).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Gassensorelement ein Heizelement, mit einem Heizelementsubstrat, einem auf dem Heizelementsubstrat angeordneten Wärmegenerator, der bei Erregung Wärme erzeugt, und einem Heizelement-Anschluss, der über eine Heizelement-Zuleitung mit dem Wärmegenerator elektrisch verbunden ist, ein Distanzstück zur Bildung einer Messgaskammer, in die ein Messgas aus dem Außenbereich eingeführt wird, ein Distanzstück zur Bildung einer Referenzgaskammer, in die ein Referenzgas eingeführt wird, und eine Festelektrolytplatte mit einer zwei Elektroden aufweisenden elektrochemischen Zelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden fließenden und von Sauerstoffionen stammenden winzigen Stroms, wobei das Heizelement, die Distanzstücke und die Festelektrolytplatte in Form einer Mehrschichtanordnung aufgebaut sind, und ein Leckstrom-Leitungsweg in der Mitte eines elektrischen Weges zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle zur Führung eines Leckstroms von dem Heizelement zu einem anderen Bereich als der elektrochemischen Zelle vorgesehen ist.

Bei diesem erfindungsgemäßen Gassensorelement ist somit ein Leckstrom-Leitungsweg an einer Stelle ausgebildet, die als Weg für einen Leckstrom zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle dienen kann, d.h., in der Mitte eines zwischen ihnen liegenden elektrischen Leitungsweges. Der Leckstrom wird somit über den Leckstrom-Leitungsweg abgeführt, ohne die elektrochemische Zelle zu erreichen.

Hierbei wird der elektrische Leitungsweg in einem die Festelektrolytplatte umfassenden Festkörperbereich zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle gebildet. Auch wenn zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle ein Isoliermaterial wie im Falle eines nachstehend noch näher beschriebenen fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung vorhanden ist, kann in diesem Isoliermaterialabschnitt ein winziger Leckstrom fließen, sodass auch dieser Isoliermaterialabschnitt als elektrischer Leitungsweg dienen kann.

Auf diese Weise kann ein Gassensorelement mit einer vom Leckstrom des Heizelements weitgehend unbeeinträchtigten Messgenauigkeit erhalten werden.

Erfindungsgemäß stellt die elektrochemische Zelle eine Zelle dar, bei der der Betrag eines zwischen den Elektroden fließenden Sauerstoffionenstroms unter 10 μA liegt. Bei einem zur Messung von NOx, der Sauerstoffkonzentration und des λ-Bereichs oder -Punktes dienenden Gassensorelement gemäß einem nachstehend noch näher beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel entsprechen eine Sensorzelle zur Messung der NOx-Konzentration eines Messgases, eine Überwachungszelle zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration des Messgases und eine λ-Zelle zur Ermittlung des λ-Punktes unter Verwendung eines im Außenbereich des Gassensorelements befindlichen Messgases der "elektrochemischen Zelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration in der Messgaskammer auf der Basis eines von Sauerstoffionen stammenden und zwischen den beiden Elektroden fließenden winzigen Stroms".

Darüber hinaus kann die Erfindung jedoch auch zusätzlich zu der Messung der NOx-Konzentration bei einem zur Messung einer HC-Konzentration oder einer CO-Konzentration dienenden Gassensorelement Verwendung finden. In diesem Falle entspricht die Sensorzelle zur Messung der HC-Konzentration oder der CO-Konzentration der "elektrochemischen Zelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration in der Messgaskammer auf der Basis eines von Sauerstoffionen stammenden und zwischen den beiden Elektroden fließenden winzigen Stroms".

Weiterhin fällt auch eine Sauerstoff-Sensorzelle für die Messung der Sauerstoffkonzentration eines Messgases bei einem zur Messung einer Sauerstoffkonzentration dienenden Gassensorelement unter den erfindungsgemäßen Begriff einer elektrochemischen Zelle.

Diese Sauerstoff-Sensorzelle umfasst jeweils einer Messgaskammer und einer Referenzgaskammer gegenüberliegende Elektroden und lässt sich in eine zur Messung einer Sauerstoffkonzentration auf der Basis einer zwischen den beiden Elektroden auftretenden Quellenspannung (EMK) ausgestaltete Zelle und eine zur Messung der Sauerstoffkonzentration auf der Basis eines bei Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden auftretenden Grenzstroms ausgestaltete Zelle unterteilen.

Wenn ferner der vorstehend beschriebene Leckstrom-Leitungsweg derart ausgebildet wird, dass er teilweise einen elektrischen Leitungsweg überdeckt, also z.B. einen den elektrischen Leitungsweg bildenden Abschnitt kreuzt, lässt sich ebenfalls die erfindungsgemäße Wirkung erzielen.

Darüber hinaus kann der Leckstrom besser in den Bereich des Leckstrom-Leitungsweges abgeführt werden, wenn der Leckstrom-Leitungsweg elektrisch an Masse gelegt wird. Weiterhin besteht der Leckstrom-Leitungsweg vorzugsweise aus einem Material mit einem kleineren elektrischen Widerstandswert als der Widerstandswert des elektrischen Leitungsweges, über den der Leckstrom fließt, und wird aus einem qualitativ hochwertigen elektrischen Leiter hergestellt.

Ferner umfasst das vorstehend beschriebene Gassensorelement vorzugsweise eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff in Bezug auf die Messgaskammer, die aus einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte und zwei, an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte angeordneten Pumpelektroden besteht, wobei die Pumpzellen-Festelektrolytplatte mit den beiden Pumpelektroden elektrisch verbundene Pumpleitungen aufweist, die mit an der Außenseite des Gassensorelements vorgesehenen Anschlüssen elektrisch verbunden sind, und der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung der Pumpleitungen hergestellt wird.

Der über die Pumpzelle fließende Strom liegt unter 10 mA (in der Größenordnung von mA), wobei das Fließen eines Leckstroms vernachlässigbar ist. Außerdem besteht die Funktion der Pumpzelle darin, Sauerstoff in die Messgaskammer einzuführen oder aus der Messgaskammer abzuführen, um auf diese Weise die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Eine weitere Funktion der Pumpzelle besteht darin, Sauerstoff aus der Messgaskammer derart abzuführen, dass der Sauerstoffgehalt höchstens auf den Wert 0 abfällt. Die Messgenauigkeit des Gassensorelements hängt somit kaum von dem Betrag des über die Pumpzelle fließenden Stroms ab.

Selbst wenn die Pump-Leiterbahnen auch als Leckstrom-Leitungsweg dienen, wird aus diesem Grund die Wirkungsweise der Pumpzelle nicht beeinträchtigt, sodass minimale Spezifikationsänderungen in Bezug auf den üblichen Aufbau akzeptabel sind, wodurch sich die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu dem Fall der Verwendung separater Bauteile in entsprechendem Umfang verringern lässt. Dies erweist sich in Bezug auf die Herstellungskosten oder dergleichen als vorteilhaft.

Hierbei werden die Pump-Leiterbahnen als Leitungswege zur Herstellung von Verbindungen zwischen den Pumpelektroden der Pumpzelle und den an der Außenseite des Gassensorelements für die Verbindung mit einer Stromquelle zur Ansteuerung der Pumpzelle und anderen Zellen vorgesehenen Anschlüssen verwendet.

Vorzugsweise sind das Heizelement, das Referenzgaskammer-Distanzstück, die Pumpzellen-Festelektrolytplatte und das Messgaskammer-Distanzstück in Form einer aneinander grenzenden Anordnung aufgebaut, wobei eine der Pumpleitungen in einer ersten Grenzfläche zwischen einer Außenfläche des Gassensorelements und einer Innenfläche der Referenzgaskammer sowie zwischen der Pumpzellen-Festelektrolytplatte und dem Referenzgaskammer-Distanzstück angeordnet ist, und die andere Pumpleitung in einer zweiten Grenzfläche zwischen der anderen Außenfläche des Gassensorelements und einer Innenfläche der Messgaskammer sowie zwischen der Pumpzellen-Festelektrolytplatte und dem Messgaskammer-Distanzstück angeordnet ist.

Wenn die Distanzstücke und die Pumpzellen-Festelektrolytplatte in der vorstehend beschriebenen Reihenfolge angeordnet sind, tritt ein Leckstrom vom Heizelement durch das Referenzgaskammer-Distanzstück, die Pumpzellen-Festelektrolytplatte und das Messgaskammer-Distanzstück in der Anordnungsrichtung hindurch und erreicht sodann die Festelektrolytplatte der elektrochemischen Zelle.

Die erste und die zweite Grenzfläche sind daher derart angeordnet, dass sie den elektrischen Leitungsweg zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle kreuzen. Wenn die Pump-Leiterbahnen an der ersten und der zweiten Grenzfläche angeordnet sind, fließt der Leckstrom zu den Pump-Leiterbahnen, wodurch verhindert wird, dass der Leckstrom die elektrochemische Zelle erreicht.

Weiterhin sind bei einer minimalen Breite A der ersten Grenzfläche entlang einer senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements verlaufenden Querrichtung, einer maximalen Breite a der in der ersten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung angeordneten Pumpleitung, einer minimalen Breite C der zweiten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung und einer maximalen Breite c der in der zweiten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung angeordneten Pumpleitung diese Größen vorzugsweise derart festgelegt, dass 0,1 ≤ a/A, 0,1 ≤ c/C gilt.

Auf diese Weise kann eine effektivere Führung des Leckstroms durch die Pump-Leiterbahnen erzielt werden.

Wenn a/A und c/C unter 0,1 liegen, kann die Abführung des Leckstroms mit Schwierigkeiten verbunden sein, da sie dann zu dünn werden.

Vorzugsweise werden die oberen Grenzwerte von a/A und c/C auf 0,99 festgelegt. Wenn diese oberen Grenzwerte überschritten werden, gelangt das Messgas aus dem Außenbereich des Gassensorelements in die als Stromweg dienende Messgaskammer, sodass eine unzureichende Pumpwirkung auftreten kann, weil z.B. die ausreichende Abführung des ein (die Messung einer spezifischen Gaskonzentration in der Sensorzelle behinderndes) Störgas darstellenden Sauerstoffs durch Verwendung der Pumpzelle mit Schwierigkeiten verbunden ist. Außerdem kann die zu messende Konzentration des spezifisches Gases in der Sensorzelle schwanken. Darüber hinaus kann eine Rissbildung oder ein Abblättern an der ersten Grenzfläche oder der zweiten Grenzfläche auftreten.

Weiterhin sind die Pump-Leiterbahnen vorzugsweise eingebettet, damit verhindert wird, dass sie an der Außenseite des Gassensorelements mit einem Messgas in Berührung kommen.

Außerdem umfasst das vorstehend beschriebene Gassensorelement eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff in Bezug auf die Messgaskammer, die eine Pumpzellen-Festelektrolytplatte und zwei, an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte angeordnete Pumpelektroden aufweist, wobei die Pumpelektroden derart ausgestaltet sind, dass sie eine Elektroden-Vorsprungsebene bedecken, die durch Verlängerung von zwei Elektroden für die elektrochemische Zelle auf die Pumpzellen-Festelektrolytplatte gebildet wird, und der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung der Pumpelektroden hergestellt wird.

Wenn der Verlauf der Pumpelektroden in dieser Form ausgebildet wird, kann eine bestimmte Positionsbeziehung der den Leckstrom-Leitungsweg kreuzenden Pumpelektroden erhalten werden.

Üblicherweise liegt der über die Pumpzelle fließende Strom unter 10 mA (in der Größenordnung von mA), wobei das Fließen eines Leckstroms vernachlässigbar ist. Ferner besteht die Funktion der Pumpzelle darin, Sauerstoff in die Messgaskammer einzuführen oder aus der Messgaskammer abzuführen, um auf diese Weise die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Darüber hinaus besteht ihre Funktion darin, Sauerstoff aus der Messgaskammer derart abzuführen, dass der Sauerstoffanteil höchstens auf 0 abfällt. Die Messgenauigkeit des Gassensorelements hängt somit kaum von dem Betrag des über die Pumpzelle fließenden Stroms ab.

Selbst wenn die Pumpelektroden auch als Leckstrom-Leitungsweg dienen, wird aus diesem Grund die Wirkungsweise der Pumpzelle nicht beeinträchtigt, sodass minimale Spezifikationsänderungen in Bezug auf den üblichen Aufbau akzeptabel sind, wodurch sich die Anzahl von Bauteilen im Vergleich zu dem Fall der Verwendung separater Bauteile in entsprechendem Umfang verringert. Dies erweist sich in Bezug auf die Herstellungskosten oder dergleichen als vorteilhaft.

Wenn hierbei zumindest eine der beiden Pumpelektroden in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist, lassen sich bereits die erfindungsgemäßen Vorteile erzielen.

Außerdem wird vorzugsweise der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung einer auf dem Heizelement angeordneten leitenden Schicht hergestellt, wobei zwischen der leitenden Schicht und dem Heizelement eine Isolierplatte angeordnet ist.

Auf diese Weise kreuzt die leitende Schicht den elektrischen Leitungsweg zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle, sodass der Leckstrom über die leitende Schicht fließt, ohne die elektrochemische Zelle zu erreichen. Somit ist gewährleistet, dass die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung zuverlässig erzielt wird.

Weiterhin sind bei einer Breite B des Gassensorelements entlang einer senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements verlaufenden Querrichtung und einer Breite b der leitenden Schicht diese Größen vorzugsweise derart festgelegt, dass 0,5 ≤ b/B gilt.

Auf diese Weise wird ein zuverlässigeres Fließen des Leckstroms über die leitende Schicht erzielt.

Wenn b/B unter 0,1 liegt, wird die Breite der leitenden Schicht zu gering, was dazu führen kann, dass das Fließen des Leckstroms erschwert wird.

Weiterhin ist der obere Grenzwert für b/B auf 0,99 festgelegt. Wenn dieser Wert überschritten wird, kann im Bereich der leitenden Schicht eine Rissbildung oder ein Abblättern des Gassensorelements auftreten. Hierbei stellen die Werte b und B Mittelwerte dar.

Außerdem besteht vorzugsweise der Leckstrom-Leitungsweg aus einem Material, das ein Edelmetall und/oder einen metallkeramischen Verbundwerkstoff aus einem Edelmetall und einem keramischen Werkstoff enthält.

Auf diese Weise kann ein von einem qualitativ hochwertigen elektrischen Leiter gebildeter Leckstrom-Leitungsweg erhalten werden, der das Fließen des Leckstroms erleichtert.

Für das vorstehend genannte Edelmetall können Pt, Au, Rh und Pd in Betracht gezogen werden, während für das keramische Material Aluminiumoxid, Zirkondioxid und dergleichen verwendbar sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1A eine Längsschnittansicht eines Mehrschicht-Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1B eine Querschnittsansicht entlang der durch Pfeile gekennzeichneten Linie A-A gemäß 1A,
2 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung des Mehrschicht-Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Querschnitts-Draufsicht entlang der durch Pfeile gekennzeichneten Linie B-B gemäß 1, die eine erste Konfiguration eines Wärmegenerators und einer Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn bei einem Heizelement des ersten Ausführungsbeispiels veranschaulicht,
4 eine Draufsicht einer zweiten Konfiguration des Wärmegenerators und der Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 eine Draufsicht einer dritten Konfiguration des Wärmegenerators und der Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
6 eine Draufsicht einer vierten Konfiguration des Wärmegenerators und der Heizelement-Zuleitung bzw. -Leiterbahn gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen PH/RL und einem Messfehler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8A eine Längsschnittansicht eines Mehrschicht-Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für eine Steuerung auf der Basis einer an eine Sauerstoff-Pumpzelle angelegten Spannung und eines über die Sauerstoff-Pumpzelle fließenden Stroms ausgestaltet ist,
8B eine Querschnittsansicht entlang der durch Pfeile gekennzeichneten Linie C-C gemäß 8A,
9 eine Längsschnittansicht eines Mehrschicht-Gassensorelements mit einer ersten und einer zweiten Sauerstoff-Pumpzelle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 eine Längsschnittansicht eines wesentlichen Bereichs eines Gassensorelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 10,
12 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Abmessungen bzw. Breite von Pump-Leiterbahnen und der Abmessungen bzw. Breite einer ersten und einer zweiten Grenzfläche gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
13A eine Draufsicht der Diffusionswiderstandsschichtseite des Gassensorelements gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
13B eine Seitenansicht des Gassensorelements gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
13C eine Draufsicht der Heizelementseite des Gassensorelements gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
14A eine Draufsicht der Diffusionswiderstandsschicht und eines Distanzstücks gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
14B eine Draufsicht der Vorderseite einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
14C eine Draufsicht der Rückseite der Pumpzellen-Festelektrolytplatte gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
14D eine Draufsicht eines Distanzstücks gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
15A eine Draufsicht der Vorderseite einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
15B eine Draufsicht der Rückseite der Pumpzellen-Festelektrolytplatte gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
15C eine Draufsicht eines Distanzstücks gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
15D eine Draufsicht eines Heizelementsubstrats gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
16 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit eines Offsetstroms bei dem fünften Ausführungsbeispiel und einem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik,
17 eine Längsschnittansicht des wesentlichen Bereichs eines Gassensorelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Pumpelektroden aufweist, die sich bis zu der Position einer Sensorzelle und einer Überwachungszelle erstrecken,
18 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B gemäß 17,
19 eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Bereichs eines Gassensorelements mit einer leitenden Schicht gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
20 die Anordnung von Elektroden auf einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte bei einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
21 eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C gemäß 20,
22 die Beziehung zwischen der Breite einer leitenden Schicht und der Breite eines Elements gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel,
23 eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, bei dem eine leitende Schicht elektrisch über ein leitendes Durchgangsloch mit einem Anschluss verbunden ist,
24 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Überwachungszelle und eine Sensorzelle in Längsrichtung angeordnet sind,
25 eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Bereichs eines Gassensorelements gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Wärmegenerator mit einem Isoliermaterial bedeckt ist,
26 eine Querschnittsansicht eines Mehrschicht-Gassensorelements des Standes der Technik,
27 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements mit einem üblichen Aufbau,
28A eine Draufsicht der Vorderseite einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte bei einem bekannten Gassensorelement, und
28B eine Draufsicht der Rückseite der Pumpzellen-Festelektrolytplatte bei dem bekannten Gassensorelement.
Erstes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird ein Mehrschicht-Gassensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Wie in den 1A, 1B und 2 veranschaulicht ist, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel ein allgemein mit der Bezugszahl 1 bezeichnetes Mehrschicht-Gassensorelement aus einer ersten Messgaskammer 11 und einer zweiten Messgaskammer 12, in die ein Messgas unter Einbeziehung eines vorgegebenen Diffusionswiderstands eingeführt wird, einer Sauerstoff-Pumpzelle 2, bei der zwei Elektroden 21 und 22 an den Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte 16 derart angeordnet sind, dass eine Elektrode 21 der ersten Messgaskammer 11 gegenüberliegt und bei Erregung der beiden Elektroden 21 und 22 Sauerstoff in die erste Messgaskammer 11 eingeführt oder aus der ersten Messgaskammer 11 abgeführt wird, um die Sauerstoffkonzentration im Inneren der ersten Messgaskammer 11 einzustellen, einer Sensorzelle 4, bei der zwei Elektroden 41 und 42 an den Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte 14 derart angeordnet sind, dass eine Elektrode 42 der zweiten Messgaskammer 12 gegenüberliegt und zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration (NOx bei diesem Ausführungsbeispiel) im Inneren der zweiten Messgaskammer 12 auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden 41 und 42 auftretenden Sauerstoffionenstroms dient, und einem Heizelement 19 zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und der Sensorzelle 4 auf eine Aktivierungstemperatur.
Das Heizelement 19 umfasst einen Wärmegenerator (Heizeinrichtung) 191, der bei Erregung Wärme erzeugt, einen an der Außenseite des Mehrschicht-Gassensorelements 1 angeordneten Heizelementanschluss (90) und eine Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192, die die elektrische Verbindung zwischen dem Wärmegenerator 191 und dem Heizelementanschluss 190 herstellt.
Wenn der elektrische Widerstandswert des Wärmegenerators 191 mit RH und der elektrische Widerstandswert der Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 mit RL bezeichnet werden, ist die Beziehung 1,5 ≤ RH/RL gegeben.
Nachstehend wird das Mehrschicht-Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.
Wie den 1A, 1B und 2 zu entnehmen ist, sind bei dem Mehrschicht-Gassensorelement 1 aufeinanderfolgend die blattartige Festelektrolytplatte 16, eine blattartige Festelektrolytplatte 14 zur Bildung einer Sauerstoff-Überwachungszelle 3, die Sensorzelle 4, ein blattartiges Distanzstück 15 zur Bildung der ersten Messgaskammer 11 und der zweiten Messgaskammer 12, blattartige Distanzstücke 17, 133 und 132 zur Bildung von Referenzgaskammern 121 und 122 sowie das Heizelement 19 zur Erwärmung der Zellen 2, 3 und 4 in Form einer Schichtanordnung vorgesehen.
Die erste Messgaskammer 11 und die zweite Messgaskammer 12 bestehen jeweils aus einer inneren Kammer, in die ein zu messendes Gas aus dem Außenbereich des Gassensorelements 1 eingeführt wird, wobei diese Kammern in der in 2 dargestellten Weise von zwei ausgestanzten Ausnehmungen 110 und 120 in dem zwischen den Festelektrolytplatten 14 und 16 angeordneten Distanzstück 15 gebildet werden. Zwischen den ausgestanzten Ausnehmungen 110 und 120 ist ein Reduzierbereich 102 ausgebildet, der eine geringere Breite als die beiden Ausnehmungen 110 und 120 aufweist. Durch diesen Reduzierbereich 102 wird die erste Messgaskammer 11 von der Ausnehmung 110 und die zweite Messgaskammer 12 von der Ausnehmung 120 gebildet, wobei die erste Messgaskammer 11 im Bereich der Spitze (auf der linken Seite der 1A und 2) des Mehrschicht-Gassensorelements 1 angeordnet ist.
Außerdem steht die erste Messgaskammer 11 mit dem Außenbereich des Gassensorelements 1 über ein Nadelloch 101 in Verbindung, das durch die Festelektrolytplatte 14 hindurch verläuft und als Diffusionswiderstandselement dient.
Der Durchmesser des Nadellochs 101 ist in geeigneter Weise vorgegeben, sodass die Diffusionsgeschwindigkeit des über das Nadelloch 101 in die erste Messgaskammer 11 und die zweite Messgaskammer 12 eingeführten Messgases einen vorgegebenen Wert annimmt.
Außerdem ist auf der Festelektrolytplatte 14 eine poröse Schutzschicht 131 aus porösem Aluminiumoxid oder dergleichen ausgebildet, die die Öffnung des Nadellochs 101 abdeckt. Hierdurch wird verhindert, dass sich das Nadelloch 101 zusetzt und dass die im Inneren der ersten Messgaskammer 11 und der zweiten Messgaskammer 12 angeordneten Elektroden 21, 32 und 42 verunreinigt werden.
Die Referenzgaskammern 121 und 122 stellen jeweils eine innere Kammer dar, in die Umgebungsluft als Gas mit einer konstanten Referenz-Sauerstoffkonzentration eingeführt wird.
Die Referenzgaskammer 121 wird von einer ausgestanzten Ausnehmung 1210 in dem unter der Festelektrolytplatte 16 angeordneten Distanzstück 17 gebildet, während die Referenzgaskammer 122 von einer ausgestanzten Ausnehmung 1220 in dem unter der Festelektrolytplatte 14 angeordneten Distanzstück 133 gebildet wird.
Diese ausgestanzten Ausnehmungen 1210 und 1220 besitzen jeweils einen in Längsrichtung des Mehrschicht-Gassensorelements 1 verlaufenden Durchgangskanal 1211 bzw. 1221, sodass die Umgebungsluft über diese Durchgangskanäle 1211 und 1221 eintreten kann.
Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 besteht aus der Festelektrolytplatte 16 und zwei einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 21 und 22, zwischen denen sich die Festelektrolytplatte 16 befindet.
Von den beiden Elektroden 21 und 22 befindet sich die Elektrode 21 in Berührung mit der Festelektrolytplatte 16 und ist in Bezug auf die beiden Messgaskammern 11 und 12 in der in der Gasströmungsrichtung stromauf gelegenen ersten Messgaskammer 11 angeordnet, während die andere Elektrode 22 sich ebenfalls in Kontakt mit der Festelektrolytplatte 16 befindet und in der Referenzgaskammer 121 angeordnet ist.
Die Sensorzelle 4 besteht aus der Festelektrolytplatte 14 und zwei, einander gegenüber liegend angeordneten Elektroden 41 und 42, zwischen denen sich die Festelektrolytplatte 14 befindet.
Von den beiden Elektroden 41 und 42 befindet sich die eine Elektrode 42 in Berührung mit der Festelektrolytplatte 14 und ist in Bezug auf die beiden Messgaskammern 11 und 12 gegenüber der in der Gasströmungsrichtung stromab gelegenen zweiten Messgaskammer 12 angeordnet, während die andere Elektrode 41 sich ebenfalls in Berührung mit der Festelektrolytplatte 14 befindet und gegenüber der Referenzgaskammer 122 angeordnet ist.
Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 besteht aus der Festelektrolytplatte 14 und zwei, einander gegenüber liegend angeordneten Elektroden 31 und 32, zwischen denen sich die Festelektrolytplatte 14 befindet.
Von den beiden Elektroden 31 und 32 ist die eine Elektrode 32 an der Festelektrolytplatte 14 angebracht und in Bezug auf die beiden Messgaskammern 11 und 12 gegenüber der in der Gasströmungsrichtung stromab gelegenen zweiten Messgaskammer 12 angeordnet, während die andere Elektrode 31 ebenfalls an der Festelektrolytplatte 14 angeordnet ist und der Referenzgaskammer 122 gegenüber liegt.
Wie in 2 veranschaulicht ist, sind außerdem Elektroden-Zuleitungsabschnitte (Leiterbahnen) 211, 221, 311, 321, 411 und 421 in integrierter Bauweise mit den vorstehend genannten Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 und 42 ausgeführt, die jeweils zum Ableiten elektrischer Signale oder zur Zuführung von elektrischer Energie von einer Energiequelle dienen.
Weiterhin sind vorzugsweise in anderen Bereichen als der Elektrode 21 und den anderen Elektroden auf den Festelektrolytplatten 14 und 16 insbesondere in den Ausbildungsbereichen des Elektroden-Zuleitungsabschnitts 211 und den anderen Elektroden-Zuleitungsabschnitten (nicht dargestellte) Isolierschichten aus z.B. Aluminiumoxid zwischen den Festelektrolytplatten 14, 16 und den Elektroden-Zuleitungsabschnitten 211, 321, 421 und anderen ausgebildet.
Ferner sind in der in 2 veranschaulichten Weise die Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 und 42 der Zellen 2, 3 und 4 über die Zuleitungsabschnitte 211, 221, 311, 321, 411 und 421 und in dem Distanzstück 17 und anderen Distanzstücken ausgebildete Durchgangslöcher 180 mit externen Anschlusselementen 310, 320, 410, 420, 210 und 220 verbunden, die freiliegend an der Außenseite des Mehrschicht-Gassensorelements 1 ausgebildet sind.
Wenn die externen Anschlusselemente 310, 320, 410, 420, 210 und 220 über geeignete Verbindungselemente durch Druckkontaktierung, Hartlöten oder dergleichen mit Leitungen verbunden werden, können elektrische Signale zwischen externen Schaltungsanordnungen (auf die nachstehend noch näher eingegangen wird) und den Zellen 2, 3 und 4 ausgetauscht werden.
Die Bezugszahlen 322 und 422 bezeichnen interne Anschlüsse, die jeweils mit dem Elektroden-Zuleitungsabschnitt 321 bzw. 421 verbunden sind.
Die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 sind über die vorstehend genannten externen Anschlusselemente (310 und andere) jeweils mit einer von einer Pumpstromquelle 251 und einem Amperemeter 252 gebildeten Pumpschaltung 250, einer von einer Stromquelle 351 und einem Amperemeter 352 gebildeten Überwachungsschaltung 350 bzw. einer von einer Stromquelle 451 und einem Amperemeter 452 gebildeten Sensorschaltung 450 verbunden.
Das Heizelement 19 dient dazu, über den Wärmegenerator 191 Wärme in Abhängigkeit von der von einer (nicht dargestellten) externen Energiequelle zugeführten Energie zur Erwärmung der jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 auf eine Aktivierungstemperatur zu erzeugen.
Zur Herstellung des Heizelements 19 wird der zur Erzeugung von Wärme bei Erregung ausgestaltete Wärmegenerator 191 in Form eines Leitermusters auf der Oberseite eines aus Aluminiumoxid bestehenden Heizelementsubstrats 195 ausgebildet und auf der Oberseite (der Seitenfläche des Distanzstücks 17) des Wärmegenerators 191 eine Beschichtungsplatte 196 als Isolation angebracht.
In 3 ist die Konfiguration des Wärmegenerators 191 und der Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 des Heizelements 19 veranschaulicht. Der Wärmegenerator 191 wird mit einer geringen Breite ausgebildet, während die Heizelement-Zuleitung 192 mit einer großen Breite ausgebildet wird, wobei der Wärmegenerator 191 direkt. unter den Positionen der Zellen 2, 3 und 4 ausgebildet wird, wie dies 2 zu entnehmen ist.
Außerdem sind Anschlusselemente 190 des Heizelements 19 in nicht näher dargestellter Weise mit einer eine Heizstromquelle umfassenden Heizschaltung verbunden.
Wie in 2 veranschaulicht ist, sind hierbei die Heizelement-Anschlusselemente 190 und die externen Anschlusselemente 210 und 220 an der Seite der Oberfläche des Heizelements 19 (Unterseite in der Figur) des Mehrschicht-Gassensorelements 1 vorgesehen, während die externen Anschlusselemente 310, 320, 410 und 420 auf der Seite der Oberfläche des Distanzstücks 132 (Oberseite in der Figur) vorgesehen sind.
Nachstehend wird auf die Zusammensetzung der jeweiligen Teile des auf diese Weise aufgebauten Mehrschicht-Gassensorelements 1 näher eingegangen.
Die Distanzstücke 17, 15, 133 und 132 bestehen jeweils aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid, während die Festelektrolytplatten 14 und 16, die die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 bilden, aus einem Keramikmaterial wie Zirkondioxid oder Ceroxid mit Sauerstoffionen leitenden Eigenschaften bestehen.
Vorzugsweise wird für eine der Elektroden 21 und 32 der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 eine Elektrode mit einer geringen Reaktionsfähigkeit in Bezug auf eine NOx-Aufspaltung verwendet, um eine Aufspaltung von NOx in der ersten Messgaskammer 11 und der zweiten Messgaskammer 12 zu unterdrücken. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine Pt und Au enthaltende Elektrode aus einem porösen metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet-Material) verwendet. In diesem Fall beträgt bei der porösen Cermet-Elektrode vorzugsweise der Anteil von Au der Metallkomponente annähernd 1 bis 10 Gew.-%.
Für die der zweiten Messgaskammer 12 gegenüber liegende Elektrode 42 der Sensorzelle 4 wird vorzugsweise eine Elektrode mit einer hohen Reaktionsfähigkeit in Bezug auf eine NOx-Aufspaltung verwendet, um eine Aufspaltung von NOx im Messgas herbeizuführen. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine Pt und Rh enthaltende Elektrode aus einem porösen metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet-Material) verwendet. In diesem Fall beträgt bei der porösen Cermet-Elektrode vorzugsweise der Anteil von Rh der Metallkomponente annähernd 10 bis 50 Gew.-%.
Die Festelektrolytplatten 14, 16, die Distanzstücke 15, 17, 133, 132, die Aluminiumoxid-Isolierplatte 196 und das Heizelementblatt 195 können mit Hilfe eines Aufstreichverfahrens, eines Strangpressverfahrens oder dergleichen in Form einer blattartigen Konfiguration ausgebildet werden.
Darüber hinaus können die vorstehend genannten Elektroden, wie die Elektrode 21, die vorstehend genannten Zuleitungsabschnitte, wie der Zuleitungsabschnitt 211 und die vorstehend genannten Anschlusselemente, wie das Anschlusselement 210, auch durch Verwendung eines Sieb- oder Schablonendruckverfahrens oder dergleichen ausgebildet werden. Die jeweiligen Blätter können bei der Anordnung miteinander integriert und kalziniert werden.
Weiterhin findet für die den Referenzgaskammern 121 und 122 gegenüberliegenden Elektroden 22, 31 und 41 der Sauerstoff-Pumpzelle 2, der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und der Sensorzelle 4 vorzugsweise z.B. eine Pt enthaltende Elektrode aus einem porösen metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet-Material) Verwendung.
Ferner bestehen der Wärmegenerator 191 und die Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 jeweils aus einem metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet-Material), das aus Pt und einem Aluminiumoxid enthaltenden Keramikmaterial besteht.
Hierbei weist das Cermet-Material für den Wärmegenerator 191 eine Zusammensetzung von 85 Gew.-% Pt und 15 Gew.-% des Aluminiumoxid enthaltenden Keramikmaterials auf, während das Cermet-Material für die Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 eine Zusammensetzung von 90 Gew.-% Pt und 10 Gew.-% des Aluminiumoxid enthaltenden Keramikmaterials aufweist.
Der elektrische Widerstandswert RH des Wärmegenerators 191 ist hierbei auf 1,5 Ω eingestellt, während der elektrische Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 auf 0,5 Ω eingestellt ist.
Nachstehend werden die grundsätzliche Funktion und Wirkungsweise des derart aufgebauten Gassensorelements 1 näher beschrieben.
Ein zu messendes Gas gelangt nach Hindurchtreten durch die poröse Schutzschicht 131 und das Nadelloch 101 in die erste Messgaskammer 11. Hierbei hängt die Menge des einzuführenden Gases von den Diffusionswiderständen der porösen Schutzschicht 131 und des Nadellochs 101 ab. Sodann tritt das Messgas durch den Reduzierabschnitt 102 hindurch und gelangt in die zweite Messgaskammer 12.
Wenn von der Pumpstromquelle eine Spannung an die beiden Elektroden 21 und 22 der Sauerstoff-Pumpzelle 2 derart angelegt wird, dass die auf der Seite der Referenzgaskammer 121 angeordnete Elektrode 22 den Pluspol bildet, wird der Sauerstoff des Messgases an der auf der Seite der ersten Messgaskammer 11 angeordneten Elektrode 21 zu Sauerstoffionen reduziert, die wiederum durch den Pumpvorgang zu der Elektrode 22 hin abgeführt werden.
Wenn dagegen das Anlegen der Spannung derart erfolgt, dass die auf der Seite der ersten Messgaskammer 11 gelegene Elektrode 21 den Pluspol bildet, wird der Sauerstoff an der auf der Seite der Referenzgaskammer 121 gelegenen Elektrode 22 reduziert und die hierbei erzeugten Sauerstoffionen durch den Pumpvorgang in Richtung der Elektrode 21 geführt.
Die Sauerstoffkonzentrationen in der ersten Messgaskammer 11 und der mit ihr in Verbindung stehenden zweiten Messgaskammer 12 können somit durch entsprechende Verwendung der Sauerstoffpumpfunktion gesteuert werden.
Wenn eine vorgegebene Spannung (von z.B. 0,40 V) an die beiden Elektroden 31 und 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 derart angelegt wird, dass die auf der Seite der Referenzgaskammer 122 gelegene Elektrode 31 den Pluspol bildet, wird der Sauerstoff des Messgases an der auf der Seite der zweiten Messgaskammer 12 gelegenen Elektrode 32 unter Bildung von Sauerstoffionen reduziert, die wiederum durch die Pumpwirkung in Richtung der Elektrode 31 geführt werden.
Da die Elektrode 32 aus einer Pt-Au-Cermet-Elektrode besteht, die in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv ist, tritt der zwischen den Elektroden 31 und 32 fließende Sauerstoffionenstrom durch die poröse Schutzschicht 131, das Nadelloch 101, die erste Messgaskammer 11 und so weiter hindurch und hängt hierbei von der zu der Elektrode 32 gelangenden Sauerstoffmenge des Messgases, nicht jedoch von der Menge an NOx ab.
Wenn somit die an die Elektroden 21 und 22 der Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegte Spannung derart gesteuert wird, dass der zwischen den Elektroden 31 und 32 fließende Strom einen konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) annimmt, kann die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 12 stets auf einen konstanten oder vorgegebenen Konzentrationswert eingeregelt werden.
An die beiden Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 wird eine vorgegebene Spannung (von z.B. 0,40 V) derart angelegt, dass die Elektrode 41 auf der Seite der Referenzgaskammer 122 den Pluspol bildet. Da die Elektrode 42 von einer Pt-Rh-Cermet-Elektrode gebildet wird, die in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist, werden der Sauerstoff und das NOx des Messgases an der auf der Seite der zweiten Messgaskammer 12 gelegenen Elektrode 42 unter Bildung von Sauerstoffionen reduziert, die durch die Pumpwirkung in Richtung der Elektrode 41 geführt werden.
Wie in den 1A und 1B veranschaulicht ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel des Mehrschicht-Gassensorelements 1 außerdem die Sauerstoff-Pumpzelle 2 derart gesteuert, dass der zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 fließende Strom einen konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) annimmt.
Wenn hierbei im Messgas kein NOx enthalten ist, nimmt der zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 fließende Strom ebenfalls einen konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) an. Wenn dagegen im Messgas NOx vorhanden ist, steigt die Stromstärke mit der NOx-Konzentration an, was die Ermittlung der NOx-Konzentration im Messgas ermöglicht.
Nachstehend wird auf die mit diesem Ausführungsbeispiel erzielbaren Vorteile näher eingegangen.
Wenn der elektrische Widerstandswert des Wärmegenerators 191 in Bezug auf den Widerstandswert der Heizelement-Zuleitung (Leiterbahn) 192 relativ gering ist, nimmt die von der Heizelement-Zuleitung 192 erzeugte Wärmemenge hohe Werte an.
Wie 2 zu entnehmen ist, befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel des Mehrschicht-Gassensorelements 1 über der Heizelement-Zuleitung 192 die Zuleitungsabschnitte 421, 321 und andere, die mit den beiden Elektroden 41, 42 der Sensorzelle 4 und 31, 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 verbunden sind. Aus diesem Grund besteht eine Tendenz zur Bildung von Leckströmen zwischen den Elektroden-Zuleitungsabschnitten oder zwischen den externen Anschlusselementen auf Grund der Wärmeerzeugung durch die Heizelement-Zuleitung 192.
Da bei der Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels insbesondere das Durchgangsloch 180 in der Festelektrolytplatte 14, dem Distanzstück 17 und dergleichen vorgesehen ist, führt ein Temperaturanstieg eines direkt über der Heizelement-Zuleitung 192 angeordneten Bereichs der Festelektrolytplatte 14 oder des Distanzstücks 17 leicht zum Auftreten eines Leckstroms.
Bei diesem Ausführungsbeispiel des Mehrschicht-Gassensorelements 1 sind jedoch der elektrische Widerstandswert RH des Wärmegenerators 191 auf 1,5 Ω und der elektrische Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung 192 auf 0,5 Ω eingestellt, wodurch die Beziehung 1,5 ≤ RH/RL erfüllt ist. Aus diesem Grund entsteht nur schwer ein Leckstrom direkt über der Heizelement-Zuleitung 192, was eine genauere Konzentrationsmessung ermöglicht (siehe zweites Ausführungsbeispiel).
Wie vorstehend beschrieben, wird somit gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Mehrschicht-Gassensorelement erhalten, das gegenüber den Einflüssen eines Leckstroms weitgehend unempfindlich ist und eine hohe Messgenauigkeit besitzt.
Auch wenn das Mehrschicht-Gassensorelement 1 jeweils mit einem der in den 4 bis 6 dargestellten Wärmegeneratoren 191 ausgestattet ist, die eine andere Konfiguration als die Ausgestaltung gemäß 3 aufweisen, ist die gleiche oder eine ähnliche Wirkung erzielbar, wenn das Verhältnis der elektrischen Widerstandswerte des Wärmegenerators 191 und der Heizelement-Zuleitung 192 die Bedingung 1,5 ≤ RH/RL erfüllt.
Obwohl die Konfiguration gemäß 4 derjenigen gemäß 3 weitgehend entspricht, sind hierbei die Eckbereiche des Wärmegenerators 191 abgerundet, d.h., in einer kurvenförmigen Konfiguration ausgeführt. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Wärmegenerator 191 eine höhere Dichte aufweist, während 6 ein Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem der Wärmegenerator 191 in Querrichtung in Wellenlinien ausgeführt ist.
Wenn der Wärmegenerator 191 und die Heizelement-Zuleitung 192 in der Konfiguration gemäß 3 aus Materialien mit der gleichen Zusammensetzung bestehen, wobei die Dicke des Wärmegenerators 191 auf 40 μm und die Dicke der Heizelement-Zuleitung 192 auf 60 μm eingestellt sind, kann auch hier der elektrische Widerstandswert des Wärmegenerators 191 auf 1,5 Ω und der elektrische Widerstandswert der Heizelement-Zuleitung 192 auf 0,5 Ω eingestellt werden, wodurch sich die gleiche Wirkung wie im Falle des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels erhalten lässt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Auswertung der Wirkung oder Leistung des ersten Ausführungsbeispiels des Mehrschicht-Gassensorelements. Hierbei wurde ein Mehrschicht-Gassensorelement mit RH/RL = 10 hergestellt, wodurch die Bedingung eines ausreichend hohen Wertes von RH erfüllt war, woraufhin der Messfehler dieses Mehrschicht-Gassensorelements auf den Wert 1 festgelegt und sodann die Messfehler von anderen Mehrschicht-Gassensorelementen mit unterschiedlichen Werten von RH/RL gemessen wurden, wie dies in 7 veranschaulicht ist.
Nachstehend wird auf dieses Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers näher eingegangen. Es wurden Gassensorelemente mit unterschiedlichen Werten von RH/RL hergestellt und einem 100 ppm an NO enthaltenden Messgas ausgesetzt, wobei die Temperatur des Messgases von 30°C bis 100°C verändert und hierbei der Messfehler bei der Ermittlung der NOx-Konzentration gemessen wurden. Die Temperatur des Messbereichs des Gassensorelements wurde durch entsprechende Veränderung einer an das Heizelement angelegten Spannung auf einem konstanten Wert gehalten. Bei dieser Messung wurde die an das Heizelement anzulegende Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur des Messgases verändert, wobei sich auch die von der Heizelement-Zuleitung erzeugte Wärmemenge veränderte, sodass sich der Einfluss des Leckstroms auf den Messfehler abschätzen ließ.
Wie aus 7 ersichtlich ist, vergrößert sich der Messfehler mit abnehmenden Werten von RH/RL, wobei ermittelt werden konnte, dass zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit RH/RL gleich oder größer als 2 (vorzugsweise gleich oder größer als 3) sein sollte.
Drittes Ausführungsbeispiel
In den 8A und 8B ist ein Mehrschicht-Gassensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Wie den 8A und 8B zu entnehmen ist, entspricht die Konfiguration der Bauelemente bei diesem Ausführungsbeispiel des Mehrschicht-Gassensorelements 1 im wesentlichen derjenigen des Gassensorelements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch findet in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel eine unterschiedliche Schaltungsanordnung Verwendung.
Bei dieser Schaltungsanordnung umfasst eine Pumpschaltung 250 eine Stromquelle 251 und ein Amperemeter 252, wobei eine Spannung in Abhängigkeit von einer Sauerstoffkonzentration auf der Basis einer vorher erhaltenen Beziehung zwischen einer an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegten Spannung und einem demzufolge über die Sauerstoff-Pumpzelle 2 fließenden Strom derart angelegt wird, dass ein Sauerstoff-Pumpstrom mit einem Grenzstrom übereinstimmt.
Auf diese Weise kann die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 11 und der zweiten Messgaskammer 12 auf einen vorgegebenen niedrigen Konzentrationswert eingeregelt werden.
Wenn die Sauerstoffkonzentrationen in der ersten Messgaskammer 11 und der Messgaskammer 12 auf diese Weise geregelt werden, neigt im Vergleich zu der auf der Sauerstoff-Überwachungszelle basierenden Regelung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 12 zu Änderungen, die die Messgenauigkeit bei der Ermittlung von NOx verschlechtern, wenn der zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 fließende Strom direkt als Sensorsignal verwendet wird.
Aus diesem Grund wird die Differenz zwischen dem zwischen den Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 fließenden Strom und dem zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle fließenden Strom in einer Stromdifferenz-Detektorschaltung 459 ermittelt und diese Differenz als Sensorsignal verwendet, wodurch der Einfluss der Sauerstoffkonzentrationsänderung in der zweiten Messgaskammer 12 verringert und ein Sensorzellen-Ausgangssignal erhalten wird, das die NOx-Konzentration genauer wiedergibt, ohne von der Sauerstoffkonzentration des Messgases abzuhängen.
Viertes Ausführungsbeispiel
9 veranschaulicht ein Mehrschicht-Gassensorelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß 9 besitzt ein Mehrschicht-Gassensorelement 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel vier Zellen, die eine zweite Sauerstoff-Pumpzelle 5 umfassen.
Hierbei sind bei dem Mehrschicht-Gassensorelement 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Distanzstück 64 zur Bildung einer Referenzgaskammer 640, eine Festelektrolytplatte 63 zur Bildung einer Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und einer Sensorzelle 4, ein Distanzstück 62 zur Bildung einer ersten Messgaskammer 11 und einer zweiten Messgaskammer 12 sowie eine Festelektrolytplatte 61 zur Bildung einer Sauerstoff-Pumpzelle 2 und einer zweiten Sauerstoff-Pumpzelle 5 in ähnlicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel auf einem Heizelement 19 angeordnet.
Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 umfasst eine der ersten Messgaskammer 11 gegenüber liegende Elektrode 21 und eine mit einer porösen Schutzschicht 131 bedeckte und einem im Außenbereich des Gassensorelements 6 befindlichen Messgas ausgesetzte Elektrode 22 und ist mit einer eine Stromquelle 251 umfassenden Pumpschaltung 250 verbunden.
Die Überwachungszelle 3 umfasst eine der ersten Messgaskammer 11 gegenüber liegende Elektrode 32 und eine der Referenzgaskammer 640 gegenüber liegende Elektrode 31 und ist mit einer ein Voltmeter 357 umfassenden Schaltung 350 verbunden.
Die Sensorzelle 4 umfasst eine der zweiten Messgaskammer 12 gegenüber liegende Elektrode 42 und eine der Referenzgaskammer 640 gegenüber liegende Elektrode 41 und ist mit einer ein Amperemeter 457 umfassenden Schaltung 450 verbunden. Hierbei sind die Elektroden 31 und 41 in integrierter Bauweise als eine Elektrode ausgeführt.
Zwischen dem Voltmeter 357 und der Stromquelle 251 ist eine Steuerschaltung 255 zur Steuerung der Stromquelle 251 für die Sauerstoff-Pumpzelle 2 auf der Basis eines von dem Voltmeter 357 ermittelten Spannungswertes angeordnet.
Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 5 umfasst eine mit der Elektrode 22 der ersten Sauerstoff-Pumpzelle 2 in integrierter Bauweise ausgeführte Elektrode 51 sowie eine der zweiten Messgaskammer 12 ausgesetzte Elektrode 52 und ist mit einer eine Stromquelle 551 umfassenden Schaltung 550 verbunden.
Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 12 auf der Basis eines über die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 fließenden Stroms ermittelt wird, wird sie bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Basis einer zwischen den Elektroden 31 und 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 auftretenden Quellenspannung (EMK) ermittelt.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 9 näher auf Betrieb und Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels eingegangen.
Die Elektrode 32 der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 liegt der ersten Messgaskammer 11 gegenüber, während ihre Elektrode 31 der Referenzgaskammer 640 gegenüber liegt, in die Umgebungsluft eintritt. Zwischen den Elektroden 31 und 32 tritt auf Grund der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der ersten Messgaskammer 11 und der Referenzgaskammer 640 eine Quellenspannung (EMK) gemäß der Nernst'schen Gleichung auf.
Da die Sauerstoffkonzentration in der Referenzgaskammer 640 konstant ist, gibt die zwischen den Elektroden 31 und 32 auftretende Quellenspannung (EMK) die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 11 wieder. Wenn daher die an die Elektroden 21 und 22 der Sauerstoff-Pumpzelle 2 anzulegende Spannung derart gesteuert wird, dass die zwischen den Elektroden 31 und 32 auftretende Quellenspannung (EMK) einen vorgegebenen konstanten Wert (von z.B. 0,20 V) annimmt, kann die Konzentration des in die zweite Messgaskammer 12 strömenden Sauerstoffs auf einen konstanten Wert eingeregelt werden.
Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 5 vorgesehen, um den Sauerstoff in den Außenbereich abzuführen, der noch in die zweite Messgaskammer 12 strömt, ohne von der Sauerstoff-Pumpzelle 2 abgeführt zu werden.
Demzufolge erreicht die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 12 annähernd den Wert 0, sodass die Sensorzelle 4 die NOx-Konzentration mit hoher Genauigkeit messen kann.
Die weitere Konfiguration wie im Falle des Heizelements 19 entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass die gleiche oder eine ähnliche Wirkung erzielt wird.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 10 bis 15D ein Gassensorelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
Ein Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein Heizelement 606, das ein Heizelement-Substrat 615, einen zur Erzeugung von Wärme bei Erregung auf dem Heizelement-Substrat 615 angeordneten Wärmegenerator 661 sowie mit dem Wärmegenerator 661 über Heizelement-Zuleitungen 6611 elektrisch verbundene Heizelement-Anschlüsse 6613 aufweist, ein Distanzstück 612 zur Bildung einer Messgaskammer in die Messgas aus dem Außenbereich eingeleitet wird, Distanzstücke 614 und 616 zur Bildung einer Referenzgaskammer, in die ein Referenzgas eingeleitet wird, sowie eine Festelektrolytplatte 611 zur Bildung einer Überwachungszelle 603, einer Sensorzelle 604 und einer λ-Zelle 605, die jeweils eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden fließenden und von Sauerstoffionen stammenden winzigen Stroms bilden, wobei diese Bauelemente in Form einer Mehrschicht- oder Vielschicht-Konfiguration angeordnet sind.
Weiterhin ist ein Leckstrom-Leitungsweg in der Mitte eines elektrischen Leitungsweges zwischen dem Heizelement 606 und der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 ausgebildet, um einen Leckstrom 619 von dem Heizelement 606 in den Außenbereich abzuführen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung von Pumpleitungen 6211 und 6221 gebildet, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.
Nachstehend wird das Gassensorelement gemäß diesem Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 findet bei einem Gassensor Verwendung, der im Abgassystem der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in der Brennkraftmaschine angeordnet ist, d.h., das Gassensorelement 1 dient zur Messung der NOx-Konzentration im Abgas, zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie zur Ermittlung des λ-Punktes bzw. λ-Bereiches (d.h., des theoretischen bzw. stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnispunktes) im Betrieb der Brennkraftmaschine.
Wie in 10 veranschaulicht ist, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel der Aufbau des Gassensorelements 1 aus einer Schichtanordnung, die in der Figur von unten nach oben das Heizelement 606, das Distanzstück 614 zur Bildung einer ersten Referenzgaskammer 6140, eine Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613, das Distanzstück 612 für die Bildung der ersten Messgaskammer 6121 und der zweiten Messgaskammer 6122, eine Festelektrolytplatte 611, das Distanzstück 616 für die Bildung einer zweiten Referenzgaskammer 6160 und eine Diffusionswiderstandsschicht 617 in dieser Reihenfolge umfasst.
In die Messgaskammer 6121 und die zweite Messgaskammer 6122 wird Abgas aus dem Außenbereich eingeleitet, während in die erste Referenzgaskammer 6140 und die zweite Referenzgaskammer 6160 Umgebungsluft eintritt.
Das Gassensorelement 1 umfasst somit die erste Messgaskammer 6121 und die zweite Messgaskammer 6122, die erste Referenzgaskammer 6140 und die zweite Referenzgaskammer 6160, die Pumpzelle 602 zum Pumpen von Sauerstoff in Bezug auf die erste Messgaskammer 6121, die Überwachungszelle 603 zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 6122, die Sensorzelle 604 zur Ermittlung der NOx-Konzentration in der zweiten Messgaskammer 6122, sowie die λ-Zelle 605 zur Ermittlung des λ-Punktes oder λ-Bereiches auf der Basis der Sauerstoffkonzentration eines Messgases im Außenbereich des Gassensorelements 1.
Die erste Messgaskammer 6121 und die zweite Messgaskammer 6122 werden von der Festelektrolytplatte 611, der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 und dem Distanzstück 612 gebildet, wobei die erste Messgaskammer 6121 über eine in der Festelektrolytplatte 611 ausgebildete Einlassöffnung 610 mit dem Außenbereich in Verbindung steht. Zwischen der ersten Messgaskammer 6121 und der zweiten Messgaskammer 6122 ist ein Diffusionskanal 6120 ausgebildet.
Außerdem umfasst das Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Diffusionswiderstandsschicht 617, die die Einlassöffnung 610 der Festelektrolytplatte 611 bedeckt, wobei das Distanzstück 616 zur Bildung der zweiten Referenzgaskammer 6160 an die Diffusionswiderstandsschicht 617 angrenzt.
Hierbei wird die erste Referenzgaskammer 6140 von der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613, dem Distanzstück 614 und dem Heizelement 606 gebildet.
Das Heizelement 606 besteht aus dem Heizelement-Substrat 615 und dem auf dem Heizelement-Substrat 615 angeordneten Wärmegenerator 661.
Die Festelektrolytplatte 611 und die Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 bestehen aus einem Zirkondioxid-Keramikmaterial, während das Heizelement-Substrat 615, die Distanzstücke 614, 612, 616 und die Diffusionswiderstandsschicht 617 aus einem isolierenden Aluminiumoxid-Keramikmaterial bestehen.
Wie in den 10 und 11 veranschaulicht ist, umfasst die Pumpzelle 602 eine an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 angeordnete und der ersten Messgaskammer 6121 gegenüber liegende erste Pumpelektrode 621, sowie eine an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 angeordnete und der ersten Referenzgaskammer 6140 gegenüber liegende zweite Pumpelektrode 622. Die beiden Elektroden 621 und 622 sind mit einer eine einstellbare Strom- oder Spannungsquelle 6251 und ein Amperemeter 6252 umfassenden Pumpschaltung 625 verbunden.
Die Überwachungszelle 603 umfasst eine an der Festelektrolytplatte 611 angeordnete und der zweiten Messgaskammer 6122 gegenüber liegende messgasseitige Elektrode 632 sowie eine an der Festelektrolytplatte 611 angeordnete und der zweiten Referenzgaskammer 6160 gegenüber liegende Referenzelektrode 631. Die beiden Elektroden 631 und 632 sind mit einer eine Strom- oder Spannungsquelle 6351 und ein Amperemeter 6352 umfassenden Überwachungsschaltung 635 verbunden.
Darüber hinaus ist ein Rückkopplungskreis 6255 vom Amperemeter 6352 zu der Stromquelle 6251 zur Steuerung der Pumpzelle 602 unter Verwendung der Überwachungszelle 603 vorgesehen.
Die Sensorzelle 604 umfasst eine an der Festelektrolytplatte 611 angeordnete und der zweiten Messgaskammer 6122 gegenüber liegende messgasseitige Elektrode 642 sowie eine an der Festelektrolytplatte 611 angeordnete und der zweiten Referenzgaskammer 6160 gegenüber liegende Referenzelektrode 641. Die beiden Elektroden 641 und 642 sind mit einer eine Strom- oder Spannungsquelle 6451 und ein Amperemeter 6452 umfassenden Sensorschaltung 645 verbunden.
Wie in 10 veranschaulicht ist, ist die λ-Zelle 605 zwischen der Festelektrolytplatte 611 und der Diffusionswiderstandsschicht 617 angeordnet und besteht aus einer messgasseitigen Elektrode 652, die über die Diffusionswiderstandsschicht 617 einem im Außenbereich des Gassensorelements 1 befindlichen Messgas ausgesetzt ist, sowie aus einer der zweiten Referenzgaskammer 6160 gegenüber liegenden Referenzelektrode 651. Die beiden Elektroden 651 und 652 sind mit einer ein Voltmeter 6552 umfassenden λ-Zellenschaltung 655 verbunden.
Der Wärmegenerator 661 des Heizelements 606 ist über nachstehend noch näher beschriebene Heizelement-Zuleitungen und/oder Anschlüsse mit einer eine Stromquelle 6651 umfassenden Heizelementschaltung 665 verbunden.
Die Referenzelektroden 631, 641 und 651 der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 sind in integrierter Bauweise als gemeinsame Elektrode ausgeführt, wie dies in den 10 und 14B veranschaulicht ist.
Die Strom- oder Spannungsquellen 6351 und 6451 erzeugen eine Spannung von 0,4 V, während die einstellbare bzw. variable Strom- oder Spannungsquelle 6251 eine Spannung von 0,3 V bis 0,5 V erzeugt und die Strom- oder Spannungsquelle 6651 eine Spannung von 0 bis 16 V erzeugt, wobei diese Spannungen den Zellen 602, 603, 604 sowie dem Wärmegenerator 661 zugeführt werden.
13A stellt eine Draufsicht dar, die das Gassensorelement 1 von der Seite der Diffusionswiderstandsschicht 617 und des Distanzstücks 616 her zeigt, während 13B einen Seitenaufriss des Gassensorelements 1 und 13C eine Draufsicht des Gassensorelements 1 von der Seite des Heizelements 606 her zeigen.
Auf der Seite der Diffusionswiderstandsschicht 617 und des Distanzstücks 616 sind an der Außenseite des Gassensorelements 1 Anschlüsse 6312, 6523, 6423 und 6323 angeordnet, während auf der Seite des Heizelements 606 an der Außenseite des Gassensorelements 1 Anschlüsse 6613, 6213 und 6223 angeordnet sind. Über diese Anschlüsse erfolgt die Verbindung des Heizelements 606, der Pumpzelle 602, der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 sowie der λ-Zelle 605 mit den Schaltungen 665, 625, 635, 645 und 655.
Die 14A bis 14D und 15A bis 15D stellen Draufsichten dar, die die Festelektrolytplatte 611 und andere, das Gassensorelement 1 bildende Elemente zeigen, wobei mit (VORDERSEITE) die Konfiguration bezeichnet ist, die sich von der Seite der Diffusionswiderstandsschicht 617 und des Distanzstücks 616 her ergibt, während mit (RÜCKSEITE) die Konfiguration bezeichnet ist, die sich von der Seite des Heizelements 606 her ergibt.
Hierbei zeigt 14A die Diffusionswiderstandsschicht 617 und das zur Bildung einer Referenzgaskammer dienende Distanzstück 616, wobei das Distanzstück 616 eine elliptische Referenzgaskammer 6160 und einen Einlasskanal 6161 zur Einführung von Umgebungsluft aus dem Außenbereich in die Referenzgaskammer 6160 aufweist.
14B zeigt die Vorderseite der Festelektrolytplatte 611 sowie die messgasseitige Elektrode 652 der λ-Zelle 605 und eine Elektrode, die als gemeinsame Elektrode für die Referenzelektroden 631, 641 und 651 der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 dient. Außerdem veranschaulicht die Figur eine in integrierter Anordnung mit der messgasseitigen Elektrode 652 ausgeführte λ-Zellen-Zuleitung 6521, einen Anschluss 6523, eine in integrierter Anordnung mit der gemeinsamen Elektrode ausgeführte gemeinsame Zuleitung 6311 sowie einen Anschluss 6312. Außerdem sind Anschlüsse 6323 und 6423 dargestellt, die über leitende Durchgangslöcher mit in 14C dargestellten Anschlüssen 6322 und 6422 verbunden sind.
14C zeigt die Rückseite der Festelektrolytplatte 611, wo sich die messgasseitigen Elektroden 632 und 642 der Überwachungszelle 603 und der Sensorzelle 604 befinden. Außerdem sind eine Überwachungszellen-Zuleitung 6321 und eine Sensorzellen-Zuleitung 6421 dargestellt, die in integrierter Anordnung mit der jeweiligen messgasseitigen Elektrode 632 bzw. 642 ausgebildet und mit den mit ihnen in integrierter Bauweise ausgeführten Anschlüssen 6322 und 6422 verbunden sind.
Die Anschlüsse 6322 und 6422 sind in der in 13A veranschaulichten Weise über die leitenden Durchgangslöcher mit den an der Außenseite des Gassensorelements 1 vorgesehenen Anschlüssen 6323 und 6423 elektrisch verbunden.
14D veranschaulicht die Vorderseite des Distanzstücks 612, wobei die erste Messgaskammer 6121, die zweite Messgaskammer 6122 und der die Verbindung zwischen diesen Kammern herstellende Diffusionskanal 6121 gezeigt sind.
Wie in den 15A und 15B gezeigt ist, ist die Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 mit den Pumpleitungen 6211 und 6221 versehen, die in integrierter Anordnung mit der ersten Pumpelektrode 621 und der zweiten Pumpelektrode 622 ausgebildet sind. Die Pumpleitungen 6211 und 6221 sind in einer ersten Grenzfläche 6105 und einer zweiten Grenzfläche 6106 angeordnet, die zwischen dem Distanzstück 614 und der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 sowie zwischen der Festelektrolytplatte 613 und dem Distanzstück 612 an den Randseiten der Festelektrolytplatte 613 gemäß den 11 und 12 ausgebildet sind.
Nachstehend wird auf die vorstehend beschriebene Pumpleitung 6211 näher eingegangen.
Wie in den 11 und 12 veranschaulicht ist, ist die erste Grenzfläche 6105 zwischen dem Distanzstück 614 und der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 zwischen einer Außenfläche 6101 des Gassensorelements 1 und einer Innenfläche 6102 der Referenzgaskammer 6140 ausgebildet, die senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements 1 verlaufen. Die zweite Grenzfläche 6106 ist dagegen zwischen dem Distanzstück 612 und der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 zwischen einer anderen Außenfläche 6103 als der Außenfläche 6101 und einer Innenfläche 6104 der Messgaskammer 6122 ausgebildet.
Wenn die minimale Breite der ersten Grenzfläche 6105 mit A und die maximale Breite der Pumpleitung 6221 in Querrichtung mit a bezeichnet werden, ist die Beziehung 0,1 ≤ a/A gegeben.
Wenn weiterhin die minimale Breite der zweiten Grenzfläche 6106 mit C und die maximale Breite der Pumpleitung 6211 in Querrichtung mit c bezeichnet werden, ist die Beziehung 0,1 ≤ c/C gegeben.
Außerdem sind die Pumpleitungen 6211 und 6221 über leitende Durchgangslöcher mit den an der Außenseite des Gassensorelements 1 angeordneten Anschlüssen 6213 und 6223 des Heizelementsubstrats 615 elektrisch verbunden.
15C zeigt die Vorderseite des Distanzstücks 614, wo sich die Referenzgaskammer 6140 befindet.
15D zeigt die Vorderseite des Heizelements 615, wo sich der Wärmegenerator 661, die mit dem Wärmegenerator 661 integrierten Heizelement-Zuleitungen (Leiterbahnen) 6611 und die mit dem Wärmegenerator 661 integrierten Anschlüsse 6612 befinden. Die Anschlüsse 6612 sind über leitende Durchgangslöcher mit den Anschlüssen 6613 elektrisch verbunden, die an der Außenseite des Gassensorelements 1 auf der Rückseite des Heizelementsubstrats 615 in der in 13C veranschaulichten Weise angeordnet sind.
Bei dem Gassensorelement 1 gemäß 11 fließen die Leckströme 619 über das Distanzstück 614, die Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613, das Distanzstück 612 und die Festelektrolytplatte 611 und werden zu der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 geführt, die jeweils eine elektrochemische Zelle bilden.
Dieses Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 weist eine Positionsbeziehung auf, bei der die Pumpleitungen 6211 und 6221 die elektrischen Leitungswege zwischen dem Heizelement 606 und den vorstehend genannten elektrochemischen Zellen kreuzen. Auf diese Weise wirken die Pumpleitungen 6211 und 6221 der Pumpzelle 602 als Leckstrom-Leitungswege, über die die Leckströme vom Heizelement 606 zu anderen Bereichen als den elektrochemischen Zellen abgeführt werden.
Die erste Pumpelektrode 621 und die messgasseitige Elektrode 632 sind Pt-Au-Elektroden, die in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig sind. Der Anteil an Au beträgt 3 Gew.-%. Die messgasseitige Elektrode 642 besteht aus einer Pt-Rh-Elektrode, die in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist. Die anderen Elektroden 622, 631, 641, 651 und 652 bestehen jeweils aus einer Pt-Elektrode.
Dieses Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 wurde einem Leistungsvergleich mit einem üblichen Gassensorelement unterzogen. Die 27, 28A und 28B zeigen dieses bekannte Gassensorelement, das allgemein mit der Bezugszahl 509 bezeichnet ist.
Obwohl die Längsschnittansicht des bekannten Gassensorelements derjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 10 ähnelt, zeigt die Querschnittsansicht entlang der Linie A-A eine Ausgestaltung, wie sie in 27 dargestellt ist. Die Vorderseite und Rückseite der Pumpzelle 513 sind jeweils in 28A bzw. 28B dargestellt. Wie diesen Darstellungen zu entnehmen ist, befinden sich bei dem bekannten Gassensorelement 509 die Pumpleitungen 5211 und 5221 in mittleren Bereichen der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 513.
Aus diesem Grund fließen die Leckströme 519 vom Heizelement 506 in der in 27 veranschaulichten Weise über das Distanzstück 514, die Festelektrolytplatte 513, das Distanzstück 512 und die Festelektrolytplatte 511 und fließen sodann in die Überwachungszelle 503, die Sensorzelle 504 und eine (nicht dargestellte) λ-Zelle.
Die Temperaturabhängigkeit des Offsetstroms wurde bei der Sensorzelle 504 des bekannten Gassensorelements 509 und bei der Sensorzelle 604 des Gassensorelements 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel gemessen. Die Messergebnisse sind in 16 dargestellt.
Hierbei bezeichnet der Offsetstrom eine Stromstärke in der Sensorzelle 604, wenn die NOx-Konzentration eines Messgases den Wert 0 aufweist. Obwohl bei einer NOx-Konzentration mit dem Wert 0 kein Sauerstoffionenstrom in der Sensorzelle 604 fließen sollte, fließt tatsächlich ein bestimmter Strom auf Grund des Restsauerstoffs in der zweiten Messgaskammer 6122.
Außerdem nimmt der elektrische Widerstand in dem Leckstrom-Leitungsweg mit steigenden Temperaturen ab, sodass davon ausgegangen wird, dass ein größerer Leckstrom in die Sensorzelle 604 fließt.
Bei dem bekannten Gassensorelement 509, dessen Struktur das Fließen eines solchen Leckstroms ermöglicht, steigt somit der Offsetstrom mit der Temperatur des Gassensorelements 509 an.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensorelements 1 der Leckstrom jedoch über die Pumpleitungen 6211 und 6221 fließt, treten auch bei einem Anstieg der Elementtemperatur kaum Änderungen des Offsetstroms auf.
Bei dem Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind somit die als Leckstrom-Leitungsweg wirkenden Pumpleitungen 6211 und 6221 in der ersten Grenzfläche 6105 und der zweiten Grenzfläche 6106 angeordnet, die auf diese Weise einen Leckstrom-Leitungsweg zwischen dem Heizelement 606 und der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 bilden, die jeweils eine elektrochemische Zelle darstellen.
Auf diese Weise wird ein Leckstrom über die einen Leckstrom-Leitungsweg herstellenden Pumpleitungen 6211 und 6221 geführt, sodass er nicht die Überwachungszelle 603, die Sensorzelle 604 und die λ-Zelle 605 erreicht, die jeweils eine elektrochemische Zelle bilden.
Da außerdem bei diesem Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 die Pumpleitungen 6211 und 6221 als Leckstrom-Leitungsweg dienen, sind lediglich minimale Änderungen der Spezifikation in Bezug auf den üblichen. Aufbau erforderlich, wodurch sich im Vergleich zu der Verwendung separater Einzelteile die Anzahl der Bauelemente entsprechend verringert. Dies ist in Bezug auf die Herstellungskosten oder dergleichen von Vorteil.
Durch dieses Ausführungsbeispiel kann somit ein Gassensorelement erhalten werden, dessen Messgenauigkeit von einem Leckstrom des Heizelementabschnitts kaum beeinträchtigt wird.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 17 und 18 ein Gassensorelement 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Wie in den 17 und 18 veranschaulicht ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 eine Pumpzelle 602 bildende Pumpelektroden 621 und 622 derart ausgebildet, dass sie bis zu den Positionen der Sensorzelle 604 und der Überwachungszelle 603 verlaufen, um Elektroden-Vorsprungsebenen oder -Verlängerungsebenen zu überdecken, die durch Verlängerung der Elektroden 631, 632, 641, 642, 651 und 652 der Überwachungszelle 603, der Sensorzelle 604 und der λ-Zelle 605 bis zu der Pumpzellen-Festelektrolytplatte 613 in der in 19 dargestellten Weise erhalten worden sind (die äußere Form der jeweiligen Elektroden ist in 19 durch die gestrichelten Umrisse dargestellt, wobei die gestrichelt dargestellten Bereiche die Elektroden-Vorsprungsebenen oder -Verlängerungsebenen bilden). Durch diese Anordnung wirken die Pumpelektroden 621 und 622 als Leckstrom-Leitungswege zur Abführung eines Leckstroms 619. Die anderen Bauelemente entsprechen denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel des Gassensorelements 1 die Pumpelektroden 621 und 622 auch als Leckstrom-Leitungsweg verwendet werden, sind nur minimale Spezifikationsänderungen in Bezug auf den üblichen Aufbau erforderlich, wodurch sich im Vergleich zu der Verwendung separater Einzelteile die Anzahl der Bauelemente entsprechend verringern lässt. Dies ist in Bezug auf die Herstellungskosten oder dergleichen von Vorteil. Die anderen Eigenschaften dieses Ausführungsbeispiels entsprechen denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 20 und 21 ein Gassensorelement 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Wie in den 20 und 21 veranschaulicht ist, ist bei dem Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine als Leckstrom-Leitungsweg dienende leitende Schicht 607 über dem Heizelement 606 angeordnet, wobei zwischen ihnen eine Isolierplatte 671 angeordnet ist. Diese leitende Schicht 607 erstreckt sich in der Längsrichtung des Gassensorelements 1 zumindest bis zu den Positionen der Überwachungszelle 603 und der Sensorzelle 604.
Wenn hierbei in der in 22 veranschaulichten Weise die Breite des Gassensorelements 1 in einer senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements 1 verlaufenden Querrichtung mit B und die Breite der leitenden Schicht 607 mit b bezeichnet sind, ist die Beziehung 0,5 ≤ b/B gegeben.
Der weitere Aufbau entspricht weitgehend dem fünften Ausführungsbeispiel.
Bei dem Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die als elektrischer Leitungsweg für einen Leckstrom dienende leitende Schicht 607 auf der dem Heizelement 606 zugewandten Oberfläche des Distanzstücks 614 angeordnet, sodass ein Leckstrom 619 über die leitende Schicht 607 fließt und nicht die Überwachungszelle 603, die Sensorzelle 604 und die λ-Zelle 605 erreicht, die jeweils eine elektrochemische Zelle darstellen.
Die anderen Eigenschaften dieses Ausführungsbeispiels entsprechen denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels.
Hierbei besteht weiterhin die Möglichkeit, in der in 23 veranschaulichten Weise die leitende Schicht 607 über ein leitendes Durchgangsloch 672 mit einem mit der negativen Seite der Heizelementschaltung 665 verbundenen Anschluss 6612 elektrisch zu verbinden. Hierbei fällt das elektrische Potential der leitenden Schicht 607 ab, wodurch das Fließen des Leckstroms erleichtert wird.
Achtes Ausführungsbeispiel
Bei einem Gassensorelement 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Überwachungszelle 603 und die Sensorzelle 604 in Längsrichtung des Gassensorelements 1 in der in 24 veranschaulichten Weise angeordnet. Der weitere Aufbau entspricht demjenigen des fünften Ausführungsbeispiels, sodass die Eigenschaften dieses Ausführungsbeispiels denjenigen des fünften Ausführungsbeispiels entsprechen.
Neuntes Ausführungsbeispiel
Während ein Gassensorelement 1 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel aufweist, bestehen hierbei jedoch das Heizelementsubstrat 615 und die Distanzstücke 612, 614 und 616 aus dem gleichen Material wie die Festelektrolytplatten 611 und 613, wobei lediglich der Wärmegenerator 661 in der in 25 dargestellten Weise mit einem Isoliermaterial 6600 bedeckt (überzogen) ist.
Da bei diesem, in 25 veranschaulichten Ausführungsbeispiel die Hauptbestandteile des Gassensorelements 1 aus dem gleichen Material bestehen, lässt sich bei der Herstellung des Gassensorelements 1, bei der eine Vielzahl von Grünblättern in Form einer Schichtanordnung zusammengedrückt und sodann kalziniert wird, das Auftreten von Kalzinierungsbrüchen weitgehend vermeiden, die meist auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe auftreten.
Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Mehrschicht-Gassensorelement mit einer hohen Messgenauigkeit erhalten, das weitgehend unempfindlich gegenüber Leckströmen ist. Das Gassensorelement umfasst eine Sauerstoff-Pumpzelle zur Einstellung einer Sauerstoffkonzentration in einer Messgaskammer, eine Sensorzelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration in der Messgaskammer sowie ein Heizelement zur Erwärmung der Zellen auf eine Aktivierungstemperatur. Das Heizelement umfasst einen Wärmegenerator, der bei Erregung Wärme erzeugt, einen externen Heizelementanschluss und eine Heizelement-Zuleitung zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Wärmegenerator und dem Heizelementanschluss. Bei einem elektrischen Widerstandswert RH des Wärmegenerators und einem elektrischen Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung werden diese Werte derart festgelegt, dass die Bedingung 1,5 ≤ RH/RL erfüllt ist.

Claims

Mehrschicht-Gassensorelement, gekennzeichnet durch eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird, eine Sauerstoff-Pumpzelle, bei der zwei Elektroden an Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und bei Erregung der beiden Elektroden zur Einstellung einer Sauerstoffkonzentration im Inneren der Messgaskammer Sauerstoff in die Messgaskammer eingeführt oder Sauerstoff aus der Messgaskammer abgeführt wird, eine Sensorzelle, bei der zwei Elektroden an Oberflächen einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration im Inneren der Messgaskammer auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden auftretenden Sauerstoffionenstroms dient, und ein Heizelement zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle und der Sensorzelle auf eine Aktivierungstemperatur, das einen Wärmegenerator zur Erzeugung von Wärme bei Erregung, einen an der Außenseite des Mehrschicht-Gassensorelements angeordneten Heizelement-Anschluss, und eine Heizelement-Zuleitung zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Wärmegenerator und dem Heizelement-Anschluss aufweist, wobei bei einem elektrischen Widerstandswert RH des Wärmegenerators und einem elektrischen Widerstandswert RL der Heizelement-Zuleitung die Widerstandswerte RH und RL derart festgelegt sind, dass die Bedingung 1,5 ≤ RH/RL erfüllt ist.
Mehrschicht-Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung aus Werkstoffen bestehen, die unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen.
Mehrschicht-Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmegenerator und die Heizelement-Zuleitung aus einem metallkeramischen Verbundwerkstoff bestehen, der Pt enthaltende Metallpartikel und Aluminiumoxid enthaltende Keramikpartikel aufweist, wobei der Anteil der Keramikpartikel in dem den Wärmegenerator bildenden metallkeramischen Verbundwerkstoff größer als der Anteil der Keramikpartikel in dem die Heizelement-Zuleitung bildenden metallkeramischen Verbundwerkstoff ist.
Mehrschicht-Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmegenerator eine geringere Dicke als die Heizelement-Zuleitung aufweist.
Mehrschicht-Gassensorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sauerstoff-Überwachungszelle, bei der zwei Elektroden an der Oberfläche einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte derart angeordnet sind, dass eine der beiden Elektroden der Messgaskammer gegenüberliegt und zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration im Inneren der Messgaskammer auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden auftretenden Stroms oder einer zwischen den beiden Elektroden auftretenden Quellenspannung dient.
Gassensorelement, gekennzeichnet durch ein Heizelement, mit einem Heizelementsubstrat, einem auf dem Heizelementsubstrat angeordneten Wärmegenerator, der bei Erregung Wärme erzeugt, und einem Heizelement-Anschluss, der über eine Heizelement-Zuleitung mit dem Wärmegenerator elektrisch verbunden ist, ein Distanzstück zur Bildung einer Messgaskammer, in die ein Messgas aus dem Außenbereich eingeführt wird, ein Distanzstück zur Bildung einer Referenzgaskammer, in die ein Referenzgas eingeführt wird, und eine Festelektrolytplatte mit einer zwei Elektroden aufweisenden elektrochemischen Zelle zur Ermittlung einer spezifischen Gaskonzentration auf der Basis eines zwischen den beiden Elektroden fließenden und von Sauerstoffionen stammenden winzigen Stroms, wobei das Heizelement, die Distanzstücke und die Festelektrolytplatte in Form einer Mehrschichtanordnung aufgebaut sind, und ein Leckstrom-Leitungsweg in der Mitte eines elektrischen Weges zwischen dem Heizelement und der elektrochemischen Zelle zur Führung eines Leckstroms von dem Heizelement zu einem anderen Bereich als der elektrochemischen Zelle vorgesehen ist.
Gassensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff in Bezug auf die Messgaskammer vorgesehen ist, die aus einer Pumpzellen-Festelektrolytplatte und zwei, an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte angeordneten Pumpelektroden besteht, dass die Pumpzellen-Festelektrolytplatte mit den beiden Pumpelektroden elektrisch verbundene Pumpleitungen aufweist, die mit an der Außenseite des Gassensorelements vorgesehenen Anschlüssen elektrisch verbunden sind, und dass der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung der Pumpleitungen hergestellt wird.
Gassensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement, das Referenzgaskammer-Distanzstück, die Pumpzellen-Festelektrolytplatte und das Messgaskammer-Distanzstück in Form einer aneinander grenzenden Anordnung aufgebaut sind, dass eine der Pumpleitungen in einer ersten Grenzfläche zwischen einer Außenfläche des Gassensorelements und einer Innenfläche der Referenzgaskammer sowie zwischen der Pumpzellen-Festelektrolytplatte und dem Referenzgaskammer-Distanzstück angeordnet ist, und dass die andere Pumpleitung in einer zweiten Grenzfläche zwischen der anderen Außenfläche des Gassensorelements und einer Innenfläche der Messgaskammer sowie zwischen der Pumpzellen-Festelektrolytplatte und dem Messgaskammer-Distanzstück angeordnet ist.
Gassensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer minimalen Breite A der ersten Grenzfläche entlang einer senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements verlaufenden Querrichtung, einer maximalen Breite a der in der ersten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung angeordneten Pumpleitung, einer minimalen Breite C der zweiten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung und einer maximalen Breite c der in der zweiten Grenzfläche entlang dieser Querrichtung angeordneten Pumpleitung diese Größen derart festgelegt sind, dass 0,1 ≤ a/A, 0,1 ≤ c/C gilt.
Gassensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpzelle zum Pumpen von Sauerstoff in Bezug auf die Messgaskammer vorgesehen ist, die eine Pumpzellen-Festelektrolytplatte und zwei, an der Pumpzellen-Festelektrolytplatte angeordnete Pumpelektroden aufweist, dass die Pumpelektroden derart ausgestaltet sind, dass sie eine Elektroden-Vorsprungsebene bedecken, die durch Verlängerung von zwei Elektroden für die elektrochemische Zelle auf die Pumpzellen-Festelektrolytplatte gebildet wird, und dass der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung der Pumpelektroden hergestellt wird.
Gassensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckstrom-Leitungsweg unter Verwendung einer auf dem Heizelement angeordneten leitenden Schicht hergestellt wird, wobei zwischen der leitenden Schicht und dem Heizelement eine Isolierplatte angeordnet ist.
Gassensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Breite B des Gassensorelements entlang einer senkrecht zur Längsrichtung des Gassensorelements verlaufenden Querrichtung und einer Breite b der leitenden Schicht diese Größen derart festgelegt sind, dass 0,5 ≤ b/B gilt.
Gassensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckstrom-Leitungsweg aus einem Material besteht, das ein Edelmetall und/oder einen metallkeramischen Verbundwerkstoff aus einem Edelmetall und einem keramischen Werkstoff enthält.