DE19803562A1

DE19803562A1 - Sensorelement

Info

Publication number: DE19803562A1
Application number: DE19803562A
Authority: DE
Inventors: Olaf Jach; Lothar Dr Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2018-01-31
Also published as: JPH11271262A; JP4327285B2; US6261429B1; DE19803562B4; FR2774471B1; FR2774471A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen elektrochemischen Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Sensorelemente der gattungsgemäßen Art bestehen aus keramischen Folien aus beispielsweise stabilisiertem ZrO₂, die mit Elektroden mit Elektrodenzuleitungen und einer Heizeinrichtung mit einem Heizleiter und Heizleiterzuleitungen bedruckt sind und die zusammenlaminiert und anschließend gesintert ein planares Sensorelement ergeben. Die Heizeinrichtung ist bei elektrochemischen Meßfühlern zwischen zwei elektrisch isolierenden Schichten, beispielsweise aus Al₂O₃ eingebettet, die wiederum zu den jeweils benachbarten sauerstoffionenleitenden keramischen Folien angeordnet sind.

Bei elektrochemischen Sensorelementen, die mit einem Referenzgas arbeiten, ist eine Elektrode in einem Referenzgaskanal angeordnet, der sich beispielsweise in Längsrichtung des Sensorelements erstreckt und mit der Luftatmosphäre in Verbindung steht. Dieser Referenzgaskanal verläuft in der Schichtebene zwischen der Referenzelektrode und dem Heizeinrichtung.

In den Bereichen, in denen der Heizleiter den Referenzgaskanal überspannt, liegt eine schlechte Wärmeabfuhr der Heizleistung vor, so daß es in diesem Bereich zu einer Überhitzung des Heizleiters kommen kann. Außerdem bedeutet die schlechte Wärmeleitung im Bereich des Referenzgaskanals, daß ein Aufheizen des Sensorelements auf seine Betriebstemperatur nur mit einer erhöhten Heizenergie oder nach einer entsprechend langen Aufheizzeit möglich ist.

Zur besseren Wärmeleitung ist aus der DE 196 09 323 bekannt, den Heizleiter der Heizeinrichtung außerhalb der Projektion des Referenzgaskanals anzuordnen. Dazu wurde der Referenzgaskanal im Bereich der Elektroden und des Heizleiters aus zwei Teilen ausgeführt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß der Wärmeübergang von der Heizeinrichtung auf den mit den Elektroden ausgeführten sensitiven Bereich des Sensorelements wesentlich verbessert wird. Eine Überhitzung des Heizleiters im Bereich des Referenzgaskanals wird vermieden, so daß sich dadurch die Langzeitstabilität der Heizeinrichtung und somit des Sensorelements erhöht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Sensorelements möglich.

Die an der meßgasseitigen Schmalseite auf der Großfläche ausgebildeten schlaufenförmigen Verlängerungsabschnitte der Heizleiterbahnabschnitte sorgen dafür, daß sich das Widerstandsverhältnis von Heizleiterzuleitungen und Heizleiter zugunsten des Heizleiters verschiebt. Dadurch ist zugleich ein schnelleres Aufheizen des Sensorelements möglich (Schnellstartheizer). Darüberhinaus wird aufgrund der besseren Erwärmung der meßgasseitigen Schmalseite die Thermoschockbeständigkeit des Sensorelements erhöht.

Mit der Erwärmung der Elektrodenzuleitungen steigt außerdem die kapazitive und die resistive Kopplung der Elektrodenzuleitungen an, was schließlich zur Verfälschung des Meßsignals durch Überschwingen bzw. Gegenschwingen bei Konzentrationswechseln im Meßgas führt. Durch die Verlagerung der Heizleistung in die Spitze des Sensorelements, d. h. in den sensitiven Bereich der Elektroden, wird die kapazitive und resistive Kopplung der Zuleitungen im Sensorelement reduziert.

Durch die sich verjüngende beziehungsweise sich erweiternde Ausbildung der Übergänge von den Heizleiterzuleitungen zu den Heizleiterbahnabschnitten und von den Heizleiterbahnabschnitten zu dem Verbindungsabschnitt wird die Gefahr von Leckströmen bei lokaler Überhitzung verringert. Leckströme entstehen durch die Ausbildung eines Strompfades zwischen der Heizeinrichtung und einer Elektrode, wodurch schließlich das von den Elektroden aufgenommene Meßsignal verfälscht wird. Indem die isolierten Bereiche zwischen den Mäanderästen vergrößert werden, werden zugleich die Bereiche mit hoher Spannungsdifferenz zwischen den Mäanderästen entschärft.

Den Referenzgaskanal innerhalb des Bereiches, der nicht vom Heizleiter bedeckt ist, zu verbreitern, hat ferner den Vorteil, daß die Referenzelektrode entsprechend vergrößert werden kann und daß ein besserer Referenzgasaustausch möglich ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Sensorelement und Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Sensorelement gemäß Fig. 1 nach der Linie II-II.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Sensorelements 10 eines nicht näher dargestellten elektrochemischen Meßfühlers gezeigt. Das Sensorelement 10 hat gemäß Fig. 2 einen anschlußseitigen Endabschnitt 11 und einen meßgasseitigen Endabschnitt 12 und weist einen planaren Schichtaufbau aus mehreren keramischen Folien auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das Sensorelement 10 eine Deckfolie 13, eine Referenzgaskanalfolie 14 und eine Sensorfolie 15. Die keramischen Folien 13, 14, 15 sind rechteckförmig ausgeführt und weisen jeweils gegenüberliegend zwei Großflächen auf. Die keramischen Folien 13, 14, 15 sind sauerstoffionenleitend und bestehen beispielsweise aus stabilisiertem ZrO₂.

In der Referenzgaskanalfolie 14 ist ein Hohlraum als Referenzgaskanal 16 ausgebildet. Der Referenzgaskanal 16 erstreckt sich vom anschlußseitigen Endabschnitt 11, an dem er an der schmalen Stirnseite mit einer Öffnung 16a austritt, bis in den meßgasseitigen Endabschnitt 12, wo er geschlossen ist und einen Referenzgasraum 16b bildet. Der Referenzgasraum 16b ist gegenüber dem Referenzgaskanal 16 verbreitert (Fig. 2).

Die Sensorfolie 15 trägt auf der äußeren Großfläche eine Meßelektrode 17 und auf der gegenüberliegenden inneren Großfläche eine in den Referenzgasraum 16b weisende Referenzelektrode 18. Die Meßelektrode 17 ist mit einer porösen Schutzschicht 19 bedeckt und dem Meßgas ausgesetzt (Fig. 1).

Zwischen der Deckfolie 13 und der Referenzgaskanalfolie 14 ist eine elektrische Heizeinrichtung 20 angeordnet. Aus der Draufsicht gemäß Fig. 2 geht das sich in der Schichtebene erstreckende Design der Heizeinrichtung 20 und des Referenzgaskanals 16 mit dem Referenzgasraum 16b hervor. Die Heizeinrichtung 20 weist parallel zu den Großflächen der keramischen Folien 13, 14, 15 liegend zwei Heizleiterzuleitungen 21 und am meßgasseitigen Endabschnitt 12 des Sensorelements 10 einen aus einem linken Heizleiterbahnabschnitt 23 und einem rechten Heizleiterbahnabschnitt 24 bestehenden, mäanderförmigen Heizleiter 22 auf. Am anschlußseitigen Endabschnitt 11 besitzen die beiden Heizleiterzuleitungen 21 zwei Landeplätze 29 für nicht näher dargestellte Durchkontaktierungen, mit denen die Heizleiterzuleitungen 21 an die äußere Großfläche des Sensorelements 10 geführt werden.

Zur elektrischen Isolierung gegenüber den angrenzenden keramischen Folien 13 und 14 ist die Heizeinrichtung 20 gemäß Fig. 1 in zwei Isolierschichten 25, 26 aus beispielsweise Al₂O₃ eingebettet. Zur Abdichtung der Isolierschichten 25, 26 ist um diese ein Dichtrahmen 27 aus beispielsweise dem Material der angrenzenden keramischen Folien 13, 14 gelegt.

Zum meßgasseitigen Endabschnitt 12 hin ist am Ende der Heizleiterzuleitungen 21 jeweils ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet, wobei sich die Heizleiterzuleitungen 21 auf die schmaler ausgeführte Breite des Heizleiter 22 hin stetig verjüngen. In Längsrichtung in etwa auf der Höhe der Leiterbahnabschnitte 31 weist der Heizleiter 22 einen Verbindungsabschnitt 33 auf, mit dem der Heizleiter 22 außerhalb des Referenzgasraums 16b über den Referenzgaskanal 16 geführt ist. Der Verbindungsabschnitt 33 ist gegenüber den Heizleiterbahnabschnitten 23, 24 breiter ausgeführt und weist beispielsweise die Breite der Heizleiterzuleitungen 21 auf. Dadurch besitzt der Verbindungsabschnitt 33 einen geringeren ohmschen Widerstand als ein vergleichbarer Bereich der Heizleiterbahnabschnitte 23, 24. Über weitere Leiterbahnabschnitte 34 werden die schmaleren Heizleiterbahnabschnitten 23, 24 zu dem breiteren Verbindungsabschnitt 33 geführt, ähnlich der Ausbildung der Leiterbahnabschnitte 31. Durch die gekröpften Ausführungen der Mäanderäste mit den Leiterbahnabschnitten 31, 34 entstehen in den Bereichen mit hoher Spannungsdifferenz größere Mäanderastabstände und Leitungsquerschnitte. Dadurch werden diese Bereiche mit hoher Spannungsdifferenz entschärft, wodurch sich die Gefahr von Leckströmen bei lokaler Überhitzung verringert.

Am meßgasseitigen Endabschnitt 15 weisen die beiden Heizleiterbahnabschnitte 23, 24 jeweils einen linken schlaufenförmigen Leiterbahnabschnitt 35 und einen rechten schlaufenförmigen Leiterbahnabschnitt 36 auf. Durch die beiden schlaufenförmigen Leiterbahnabschnitte 35, 36 wird der Heizleiter 22 verlängert, wodurch eine höhere Heizleistung im vorderen, meßgasseitigen Endabschnitt 12 des Sensorelements 10 erzielt wird. Durch die bessere Erwärmung der Stirnseite des Sensorelements 10 werden Thermoschockrisse, ausgehend von den Zugspannungen der kalten Oberfläche, beim Einschalten der Heizeinrichtung 20 vermieden. Außerdem wird durch das weitgehende Umschließen des Referenzgasraums 16b an seinem Ende mit dem Heizleiter 22 die Wärmeleitung zur benachbarten keramischen Folien 14 verbessert.

Wesentlich für das Design des Heizleiters 22 ist, daß die Heizleiterbahnabschnitte 23, 24 außerhalb der senkrechten Projektion des Referenzgasraums 16b liegen. Lediglich über den schmalen Referenzgaskanal 16 wird mit dem Verbindungsabschnitt 33 ein Leiterbahnabschnitt geführt, der einen größeren Querschnitt aufweist als der Querschnitt Heizleiters 22 bzw. als der größte Querschnitt eines der Heizleiterbahnabschnitte 23, 24. Dadurch wird gewährleistet, daß der Heizleiter 22 mit den Heizleiterbahnabschnitten 23, 24 zwischen den angrenzenden Folien 13, 14 geklemmt ist, wodurch sich eine bessere Wärmeleitung, insbesondere über die Referenzkanalfolie 14 hin zur Sensorfolie 15 ausbildet. Der Referenzgaskanal 16 übt lediglich im Bereich des Verbindungsabschnitts 33, der zudem keine wesentliche Heizfunktion aufweist, eine äußerst geringe Dämpfung auf die Wärmeleitung aus.

Das erfindungsgemäße Heizerdesign ist nicht auf das beschriebene Sensorelement 10 beschränkt. Es ist ebenso anwendbar bei anderen Sensorelementen, die einen Hohlraum zwischen Heizeinrichtung und sensitiven Bereich besitzen.

Claims

1. Sensorelement für einen elektrochemischen Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer einem Meßgas ausgesetzten Meßelektrode, mindestens einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode, mindestens einer Heizeinrichtung, die einen Heizleiter und
Heizleiterzuleitungen aufweist, sowie mit einem Referenzgaskanal, über den das Referenzgas zur Referenzelektrode geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (22) außerhalb der senkrechten Projektion des Referenzgaskanals (16) mindestens zwei
Heizleiterbahnabschnitte (23, 24) aufweist, die über dem Referenzgaskanal (16) mittels eines Verbindungsabschnitts (33) verbunden sind, der einen größeren Leiterbahnquerschnitt aufweist als der Querschnitt eines der Heizleiterbahnabschnitte (23, 24).

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzgaskanal (16) im Bereich der Referenzelektrode (18) verbreitert ist und einen Referenzgasraum (16b) bildet und daß der Verbindungsabschnitt (33) außerhalb der senkrechten Projektion des Referenzgasraums (16b) über den schmaleren Referenzgaskanal (16) geführt ist.

3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Heizleiterbahnabschnitte (23, 24) eine meßgasseitigen Umlenkung aufweist, an der ein Verlängerungsabschnitt (35, 36) ausgebildet ist.

4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlängerungsabschnitt (35, 36) jeweils an beiden Heizleiterbahnabschnitten (23, 24) ausgebildet ist, und daß die Verlängerungsabschnitte (35, 36) schlaufenförmig das meßgasseitige Ende des Referenzgaskanals (16b) annähernd umschließen.

5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Heizleiterbahnabschnitten (23, 24) und dem Verbindungsabschnitt (33) jeweils ein Leiterbahnabschnitt (34) ausgebildet ist, wobei sich die Breite des jeweiligen Heizleiterbahnabschnitts (23, 24) zum Verbindungsabschnitt (33) hin vergrößert.

6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Heizleiterzuleitungen (21) und den Heizleiterbahnabschnitten (23, 24) jeweils ein weiterer Leiterbahnabschnitt (31) ausgebildet ist, wobei sich die Breite der jeweiligen Heizleiterzuleitung (21) zum Heizleiterbahnabschnitt (23, 24) hin verjüngt.

7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Bezug auf die Längserstreckung der Großfläche des Sensorelements der Leiterbahnabschnitt (31) und der weitere Leiterbahnabschnitt (34) nebeneineinder zumindest annähernd auf gleicher Höhe ausgebildet sind.

8. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Heizleiterbahnabschnitte (23, 24) bezogen auf eine in Längserstreckung der Großfläche verlaufende Mittellinie symmetrisch in der Ebene der Großfläche angeordnet sind.