DE19837515A1 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration eines Meßgases mit einem elektrochemischen Element, umfassend eine elektrochemische Pumpzelle, die einen ersten Festelektrolytkörper, eine erste und zweite Elektrode und einen über eine Gaszutrittsöffnung mit einem Meßgasraum verbundenen Gasraum aufweist, in dem eine der beiden Elektroden angeordnet ist, und umfassend eine elektrochemische Sensorzelle, die eine dritte Elektrode, einen zweiten Festelektrolytkörper und einen Referenzgasraum aufweist, in dem eine vierte Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektroden der Pump- und Sensorzelle eine Elektrodenzuleitung aufweisen, und wobei jeweils zwischen einer der Elektrodenzuleitungen der ersten und zweiten Elektrode und dem zugehörigen Festelektrolytkörper eine elektrisch isolierende Schicht zumindest bereichsweise vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die elektrisch isolierende Schicht (24) die Elektrodenzuleitungen (7A, 8A) der ersten, zweiten und/oder dritten Elektrode (7, 8, 11) allseitig zumindest über eine Teillänge (T) der Elektrodenzuleitung (7A, 8A) umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie die Verwendung des elek­ trochemischen Meßfühlers zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen gemaß Anspruch 13.

Stand der Technik

Elektrochemische Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Sie umfassen ein elektrochemisches Element, welches eine elektrochemische Pumpzelle mit einem vorzugsweise planaren ersten Festelektro­ lytkörper und einer ersten und einer zweiten vor­ zugsweise porösen Elektrode aufweist. Diese Meßfüh­ ler umfassen weiterhin eine mit der Pumpzelle zu­ sammenwirkende elektrochemische Sensorzelle, die einen vorzugsweise planaren zweiten Festelektrolyt­ körper sowie eine dritte und eine vierte vorzugs­ weise poröse Elektrode aufweist. Ferner besitzt der elektrochemische Meßfühler eine Gaszutrittsöffnung und einen Gaszutrittskanal, der einerseits mit einem Meßgasraum verbunden ist. Der Gaszutrittska­ nal mündet andererseits in einem auch als Gasraum bezeichneten Hohlraum, der innerhalb des elektro­ chemischen Elements liegt. In dem Gasraum ist die zweite und dritte Elektrode und vorzugsweise eine Diffusionswiderstandseinrichtung angeordnet. Diese kann durch eine poröse Füllung gebildet werden. Das Meßgas gelangt aus dem Meßgasraum über die Gaszu­ trittsöffnung und den Gaszutrittskanal in den Hohl­ raum, wobei die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle regulierend auf den Zutritt des Meßgases in den Gasraum beziehungsweise Hohlraum wirken. So­ mit wird ein kontrollierter Partialdruck der zu messenden Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, bereitgestellt. Der elektrochemische Potentialun­ terschied zwischen den Elektroden des zweiten Fest­ elektrolytkörpers, der sich aufgrund der unter­ schiedlichen Gaspartialdrücke in der Diffusionswi­ derstandseinrichtung sowie einem beispielsweise im zweiten Festelektrolytkörper angeordneten Referenz­ gasraum einstellt, kann durch eine außerhalb des elektrochemischen Elements liegende Erfassungsein­ richtung, beispielsweise eine Spannungsmeßeinrich­ tung, erfaßt werden. Elektrochemische Meßfühler der eingangs beschriebenen Art haben unter der Fachbe­ zeichnung "Planare Breitband-Lambda-Sonden" bei­ spielsweise in der katalytischen Abgasentgiftung von Verbrennungsmotoren Verwendung gefunden.

Aus der DE 38 11 713 C2 ist eine planare Sonde be­ kannt. Sie dient zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen. Diese Lambda-Sonde weist eine auf Aluminiumoxid-Basis aufgebaute Isolationsschicht auf, wobei jeweils eine Isolationsschicht sich über die gesamte Breite des Meßfühlers erstreckt. Eine Isolationsschicht ist zwischen der Leiterbahn der ersten Elektrode und dem ersten Festelektrolytkör­ per angeordnet. Eine zweite Isolationsschicht liegt zwischen der Leiterbahn der zweiten Elektrode und dem ersten Festelektrolytkörper vor.

Nachteilig bei den bekannten elektrochemischen Meßfühlern ist, daß diese insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen eine sogenannte Lambda=1-Wel­ ligkeit aufweisen. Dies führt bei Regelvorgängen zu Problemen, bei denen der Lambda-Wert die Regelgröße darstellt. Durch die Welligkeit des Lambda-Signals ist in manchen Fällen eine hinreichend stabile Aus­ gangsgröße nicht einstellbar.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung stellt einen elektrochemischen Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration eines Meßgases mit einem elektrochemischen Element gemäß Anspruch 1 bereit. Erfindungsgemäß ist vorge­ sehen, daß die Elektrodenzuleitung beziehungsweise Leiterbahn der ersten, zweiten und/oder dritten Elektrode allseitig von einer elektrisch isolieren­ den Schicht umgeben sind, wobei sich die elektrisch isolierende Schicht zumindest über eine Teillänge zumindest einer Elektrodenzuleitung erstreckt. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß sich mit der erfindungsgemäß vorgesehenen elektrisch isolie­ renden Schicht nicht nur die Rückwirkung der Pump­ spannung auf die Nernstspannung der Sensorzelle re­ duzieren läßt, sondern auch die Welligkeit des Lambda-Signals reduziert wird, dies insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen des elektrochemi­ schen Meßfühlers. In vorteilhafter Weise läßt sich somit das bekannte, aber unerwünschte Phänomen der Lambda=1-Welligkeit (Gegenschwing- oder Über­ schwingerscheinungen bei sprunghaftem Gaswechsel) nahezu beseitigen. Damit weist der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Reglerdynamik auf.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, daß die zweite und dritte Elektrode eine gemeinsame Elektrodenzuleitung innerhalb des elektrochemischen Meßfühlers aufweisen, die sich vorzugsweise kurz vor den Elektroden in Teilzuleitungen aufteilt. In vorteilhafter Weise wird dadurch erreicht, daß le­ diglich eine erfindungsgemäße elektrisch isolie­ rende Schicht für die zweite und die dritte Elek­ trodenzuleitung vorgesehen werden kann.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, daß die elektrisch isolierende Schicht, die die Elek­ trodenzuleitungen allseitig umgibt, einer oder bei­ den Teilzuleitungen zugeordnet ist. Mit anderen Worten: Die elektrisch isolierende Schicht er­ streckt sich über die gemeinsame Elektrodenzulei­ tung sowie über zumindest eine der beiden Teilzu­ leitungen der zweiten und dritten Elektrode.

Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße elektroche­ mische Meßfühler eine Heizung auf, mit der der Meßfühler auf die notwendige Betriebstemperatur ge­ bracht wird, bei der die Festelektrolytkörper auf­ grund Ionenleitung elektrisch leitend werden.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorge­ sehen, daß die elektrisch isolierende Schicht zu­ mindest eine der Elektrodenzuleitungen zwar voll­ ständig umgibt, jedoch nur über eine Teillänge der Elektrodenzuleitung vorgesehen ist, wobei diese Teillänge von der Temperaturverteilung - in Längs­ richtung des elektrochemischen Meßfühlers gesehen - abhängt. Das heißt, der vorzugsweise quaderförmige elektrochemische Meßfühler weist im Bereich seines einen Endes die Pumpzelle mit der ersten und zwei­ ten Elektrode, Nernst- beziehungsweise Sensorzelle mit der dritten und vierten Elektrode und die Hei­ zung auf. Die Heizung wirkt somit lediglich in einem Teilbereich des Meßfühlers, so daß die Tempe­ ratur innerhalb des Meßfühlers in Längserstrec­ kungsrichtung der Elektrodenzuleitungen abnimmt. Da die Festelektrolytkörper erst ab einer bestimmten Betriebstemperatur elektrisch leitend werden, ge­ nügt es, wenn die elektrisch isolierende Schicht für den sogenannten "heißen Bereich" vorgesehen ist. Mit anderen Worten: Außerhalb des heißen Be­ reichs, beispielsweise unter einer Temperatur von 300°C, muß die elektrisch isolierende Schicht an zumindest einer Elektrodenzuleitung nicht zwingend vorgesehen sein, da in diesem Bereich der Festelek­ trolytkörper nicht elektrisch leitend ist.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorge­ sehen, daß lediglich die Elektrodenzuleitung der ersten Elektrode die erfindungsgemäße Isolier­ schicht zumindest über eine Teillänge aufweist. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, daß die elek­ trisch isolierende Schicht von einer Schutzschicht abgedeckt ist. Somit ist diese elektrisch isolie­ rende Schicht (Isolierschicht) gegenüber dem Meß­ gasraum gegen mechanische und/oder chemische Ein­ flüsse gegen Verschleiß geschützt. Selbstverständ­ lich kann sich die Schutzschicht auch über den Be­ reich der Elektrodenzuleitung erstrecken, der die erfindungsgemäß vorgesehene Isolierschicht nicht aufweist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die elektrisch isolierende Schicht porös oder dichtsinternd ausgebildet ist, wobei bei einer porösen Schicht zwischen dieser und dem/den Fest­ elektrolytkörper(n) eine gasdichte Barriere vorge­ sehen sein kann. Damit wird verhindert, daß bei­ spielsweise chemisch aggressive Gase an die Elek­ trodenzuleitung gelangen, die diese möglicherweise zerstören oder beschädigen könnten.

In bevorzugter Ausführungsform besteht die elek­ trisch isolierende Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder weist Aluminiumoxid auf.

Die Schutzschicht für die erste Elektrodenzuleitung besteht vorzugsweise aus Zirkonoxid (ZrO₂).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemi­ schen Meßfühlers und des elektrochemischen Elements erfolgt zweckmäßigerweise, indem man von plättchen- oder folienförmigen Sauerstoff-leitenden Festelek­ trolyten, zum Beispiel aus stabilisiertem Zirkondi­ oxid, ausgeht und diese beidseitig mit je einer inneren und äußeren Pumpelektrode (erste und zweite Elektrode) mit dazugehörigen Leiterbahnen beschich­ tet, die die Zuleitung zum elektrischen Kontaktie­ ren darstellen. Zwischen den Leiterbahnen und den Festelektrolytfolien wird die erfindungsgemäße, auch als resistive Schicht bezeichnete elektrisch isolierende Schicht aufgebracht. Das heißt, daß die Leiterbahnen vorzugsweise auf die Schicht aufge­ bracht werden, die vorzugsweise als Aluminiumoxid-Paste vorliegen kann. Die innere Pumpelektrode be­ findet sich dabei in vorteilhafter Weise im Randbe­ reich eines Diffusions- oder Gaszutrittskanals, durch den das Meßgas zugeführt wird. Die so erhal­ tene Pumpzelle kann dann mit einer in ähnlicher Weise hergestellten Sensorzelle (Nernstzelle) aus einer zweiten Festelektrolytfolie und einer drit­ ten, gegebenenfalls zu einer Heizereinheit ausge­ bildeten Festelektrolytfolie, zusammenlaminiert und gesintert werden.

Für die Herstellung der porösen Füllungen, bei­ spielsweise des Gasdiffusionswiderstands bezie­ hungsweise der Diffusionsbarriere im Gasraum, geht man insbesondere von porös sinternden Folieneinla­ gen aus keramischem Material mit geeignetem thermi­ schem Ausdehnungsverhalten aus, das demjenigen der verwendeten Festelektrolytfolien entspricht bezie­ hungsweise nahekommt. Vorzugsweise verwendet man für die Füllung eine Folieneinlage aus keramischem Material, aus dem auch die Festelektrolytfolien be­ stehen. Die Porosität der Einlage kann durch soge­ nannte Porenbildner, wie Thermalrußpulver, organi­ sche Kunststoffe oder Salze erzeugt werden. Diese Porenbildner verbrennen, zersetzen sich oder ver­ dampfen bei dem Sinterprozeß.

In besonders vorteilhafter Weise betrifft die Er­ findung Breitband-Lambda-Sonden zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen in Brennkraftmaschi­ nen. Der Lambda-Wert oder die "Luftzahl" ist dabei als das Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis definiert. Die Lambda-Sonden er­ mitteln den Sauerstoffgehalt des Abgases über eine Grenzstromänderung.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in geschnittener Stirnansicht schematisch einen elektrochemischen Meßfühler,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrisch isolierenden Schicht,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schicht,

Fig. 4a und 4b jeweils eine stark vereinfachte Darstel­ lung der zweiten und dritten Elektrode sowie den zugehörigen Elektrodenzuleitun­ gen mit der elektrisch isolierenden Schicht,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in Fig. 4a,

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 4b, und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie VII-VII entlang in Fig. 4b.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt im Querschnitt, also in geschnittener Stirnansicht, einen elektrochemischen Meßfühler 1, der ein elektrochemisches Element 2, eine als Ener­ gieversorgungseinrichtung dienende Spannungsversor­ gungseinrichtung 3 sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist, die als Spannungsmeßgerät 4 realisiert sein kann.

Das elektrochemische Element 2 weist eine elektro­ chemische Pumpzelle 5 auf, die einen ersten plana­ ren Festelektrolytkörper 6, eine erste poröse Elek­ trode 7 und eine zweite poröse Elektrode 8 umfaßt. Die Elektroden 7 und 8 sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet und über jeweils eine Zuleitung 7A be­ ziehungsweise 8A zwecks elektrischer Kontaktierung aus dem elektrochemischen Element 2 herausgeführt. Die Zuleitung 7A ist der ersten Elektrode 7 zuge­ ordnet; die Zuleitung 8A dient als Zuleitung für die zweite Elektrode 8 und eine dritte Elektrode 11, die ringförmig ausgestaltet sein kann. Die zweite und dritte Elektrode 8 und 11 weisen also eine gemeinsame Elektrodenzuleitung 8A auf, die sich vorzugsweise kurz vor den Elektroden 8 und 11 in Teilzuleitungen 8B und 8C aufteilt, wobei die Teilzuleitung 8B der zweiten Elektrode und die Teilzuleitung 8C der dritten Elektrode zugeordnet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, jeder Elektrode 8 und 11 eine separate Elektrodenzulei­ tung zuzuordnen.

Das im folgenden lediglich als Element 2 bezeich­ nete elektrochemische Element weist weiterhin eine elektrochemische Sensorzelle 9 (Nernstzelle) auf, die einen zweiten Festelektrolytkörper 10 sowie die dritte und eine vierte Elektrode 11, 12 aufweist. Die vierte Elektrode 12 (Referenzelektrode) ist über Zuleitung 12A aus dem elektrochemischen Ele­ ment 2 herausgeführt.

Der Übersichtlichkeit halber sind die Elektrodenzu­ leitungen 7A, 8A und 12A in Fig. 1 seitlich aus dem elektrochemischen Meßfühler 1 herausgeführt. Tatsächlich erstrecken sich diese Elektrodenzulei­ tungen 7A, 8A und 12A jedoch in die Bildebene hin­ ein, wobei sich der elektrochemische Meßfühler 1 in Längsrichtung ebenfalls in die Bildebene hinein er­ streckt. Der Meßfühler 1 ist also quaderförmig aus­ gebildet, wobei seine Längserstreckung wesentlich größer als seine Breite sein kann.

Die Pumpzelle 5 wird an der ersten und an der zwei­ ten Elektrode 7 und 8 mittels der externen Span­ nungsversorgungseinrichtung 3 mit der Pumpspannung U_P versorgt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine Stromversorgungseinrichtung vorzusehen.

Der erste und der zweite Festelektrolytkörper 6 und 10 sind miteinander verbunden und umschließen einen auch als Gasraum bezeichneten inneren Hohlraum 14. Dieser ist vorzugsweise mit einem porösen Material 15 ganz oder teilweise gefüllt und nimmt die zweite und dritte Elektrode 8 und 11 auf. Der innere Hohl­ raum 14 steht über einen Gaszutrittskanal 17 mit einem Meßgasraum 19 in Verbindung, wobei der Gaszu­ trittskanal 17 vorzugsweise zumindest teilweise mit einer porösen Füllung 16 ausgestattet ist. Über der Gaszutrittsöffnung 18 kann eine poröse Abdeckung 20 angebracht sein, die Teil einer porösen Schutz­ schicht 21 sein kann. Diese Schutzschicht 21 ist an einer dem Meßgasraum 19 zugewandten Fläche 22 des ersten Festelektrolytkörpers 6 angebracht und kann somit die erste auch als äußere Pumpelektrode be­ zeichnete Elektrode 7 der Pumpzelle 5 bedecken.

Der zweite Festelektrolytkörper weist einen Refe­ renzgasraum 23 auf. Diesem ist ein hier nicht dar­ gestellter Referenzgaskanal zugeordnet, der sich in die Bildebene hinein erstreckt und vorzugsweise am anderen Ende des Meßfühlers 1 mündet. Durch den Re­ ferenzgaskanal kann ein auch als Referenzgas be­ zeichnetes Vergleichsgas in den Referenzgasraum 23 eingeleitet werden.

Aus dem Meßgasraum 19 gelangt das Meßgas über die Gaszutrittsöffnung 18 und den Gaszutrittskanal 17 in den inneren Hohlraum 14, wobei mittels einer an die erste und zweite Elektrode 7 und 8 der Pump­ zelle 5 angelegte Pumpspannung U_P durch Zupumpen oder Abpumpen von Sauerstoff ein kontrollierter Partialdruck eingestellt wird. Die Energieversor­ gung beziehungsweise Spannungsversorgung der Pump­ zelle 5 übernimmt - wie bereits erwähnt - die außer­ halb des elektrochemischen Elements 2 angebrachte Spannungsversorgungseinrichtung 3.

Aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke in dem Gasraum 13 sowie dem im zweiten Festelektrolytkör­ per 10 angeordneten Referenzgasraum, stellt sich ein elektrochemischer Potentialunterschied zwischen der dritten und der vierten Elektrode 11 und 12 der Sensorzelle ein. Dieser Potentialunterschied wird durch das außerhalb des elektrochemischen Elements 2 liegende Spannungsmeßgerät 4 erfaßt. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, hier allgemein eine Auswerteeinrichtung vorzusehen.

Die Abdeckung 20 und der darunter befindliche Hohl­ raum 14 verhindern ein Eindringen von im Meßgas enthaltenen flüssigen Anteilen. Dies kann beispiel­ weise Benzin im Abgas einer Brennkraftmaschine sein. Mithin wird verhindert, daß dieses Benzin über die Gaszutrittsöffnung und den Gaszutrittska­ nal 17 in den Gasraum 13 gelangt.

Dem Meßfühler 1 ist vorzugsweise eine Heizung H zu­ geordnet, die als Heizwendel realisiert sein kann. Die Heizung H ist vorzugsweise dem zweiten Fest­ elektrolytkörper 10 zugeordnet beziehungsweise in­ nerhalb des Festelektrolytkörpers 10 angeordnet und liegt vorzugsweise unterhalb des Referenzgasraums 23. Die Heizung H beziehungsweise die Heizwendel liegt vorzugsweise parallel und in einem Abstand zu den Elektroden 7, 8, 11 und 12, wobei sich die Hei­ zung H beziehungsweise die Heizwendel vorzugsweise unterhalb der ringförmigen Elektroden befindet. Das heißt, die Heizung H erstreckt sich nicht über die gesamte Breite und die gesamte Länge des Meßfühlers 1.

Die Heizung H ist über eine Energieversorgungsein­ richtung mit einer Heizspannung U_H versorgt, so daß der Meßfühler 1 auf seine Betriebstemperatur ge­ bracht werden kann, bei der die Festelektrolytkör­ per 6 und 10 durch Ionenleitung elektrisch leitend werden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1, wobei die Schutzschicht 21 beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 nicht vorgesehen ist. Die Teildarstellung gemäß Fig. 2 zeigt die Elek­ trodenzuleitung 7A der ersten Elektrode 7. Es ist ersichtlich, daß die Elektrodenzuleitung 7A nicht unmittelbar auf der Fläche 22 des ersten Festelek­ trolytkörpers 6 angebracht ist, sondern auf einer elektrisch isolierenden Schicht 24. Diese im fol­ genden als Isolierschicht 24 bezeichnete Schicht ist vorzugsweise durch zwei Teilschichten 25 und 26 gebildet, wobei die Teilschicht 26 die Seiten und die Oberseite der Elektrodenzuleitung 7A um­ schließt. Mithin ist die Elektrodenzuleitung 7A von der elektrisch isolierenden Schicht 24 allseitig umgeben. Die Breite der Isolierschicht 24 muß nicht so bemessen sein, daß sie sich über die gesamte Breite des Meßfühlers 1 erstreckt.

Fig. 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Schnitt durch die Elektrodenzulei­ tung 7A entlang der Linie A-A in Fig. 1. Die Iso­ lierschicht 24, die die Elektrodenzuleitung 7A um­ gibt, ist hier an ihren Seiten und der Oberseite mit einer Schutzschicht 27 versehen, die Teil der Schutzschicht 21 sein kann beziehungsweise im Be­ reich der ringförmigen Elektrode 7 in diese Schutz­ schicht 21 übergeht. Es ist also nicht erforder­ lich, daß sich im Bereich der Elektrodenzuleitung 7A die Schutzschicht 27 über die gesamte Breite des Meßfühlers 1 erstreckt. Die Schutzschicht 27 dient insbesondere als Verschleißschutz für die elek­ trisch isolierende Schicht 24. Diese Schicht 27 verhindert also, daß im Meßgasraum 19 enthaltene chemisch aggressive Bestandteile die Elektrodenzu­ leitung 7A zerstören oder beschädigen.

In Fig. 4a ist die Elektrodenzuleitung 8A der zweiten und dritten Elektrode 8 und 11 wiedergege­ ben. Es ist auch hier dargestellt, daß sich die Elektrodenzuleitung 8A in die Teilzuleitungen 8B und 8C aufteilt. Der Elektrodenzuleitung 8A sowie der Teilzuleitung 8B für die zweite auch als innere Pumpelektrode bezeichneten Elektrode 8 ist eine elektrisch isolierende Isolierschicht 24 über eine Teillänge T zugeordnet. Die Isolierschicht 24 er­ streckt sich von der ringförmigen zweiten Elektrode 8 vorzugsweise nicht über die gesamte Länge des Festelektrolytkörpers beziehungsweise des Meßfüh­ lers 1, sondern liegt lediglich in einem "heißen Bereich" des Meßfühlers 1 vor, der aufgrund der von der Heizung H bereitgestellten Wärme eine Tempera­ tur aufweist, die vorzugsweise höher als circa 300°C liegt. Die Isolierschicht 24 muß sich also nicht über die gesamte Länge der Elektrodenzulei­ tung 8A erstrecken.

Fig. 4b zeigt gegenüber Fig. 4a ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, so daß gleiche Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied besteht darin, daß in Fig. 4b auch die Teilzulei­ tung 8C für die dritte Elektrode 11 (Nernstelek­ trode) die erfindungsgemäße Isolierschicht 24 auf­ weist.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4a. Hier sind nochmals die Teilzuleitungen 8B und 8C im Schnitt dargestellt. Hier wird deut­ lich erkennbar, daß die Isolierschicht 24 die Teil­ zuleitung 8B vollständig umschließt, wobei die Iso­ lierschicht 24 auch hier vorzugsweise durch zwei Teilschichten 25 und 26 gebildet ist.

Fig. 6 zeigt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4b eine Schnittansicht der Teilzuleitungen 8B und 8C, wobei die Teilzuleitung 8B wie in Fig. 5 von der erfindungsgemäßen Isolierschicht 24 umgeben ist. Außerdem ist die Teilzuleitung 8C mit der Isolier­ schicht 24 ausgestattet, wobei in einer Ausfüh­ rungsvariante dargestellt ist, daß die Isolier­ schicht 24 der Teilzuleitung 8C nicht zweigeteilt, sondern einstückig ausgeführt ist.

Fig. 7 zeigt entlang der Linie VII-VII in Fig. 4b die Elektrodenzuleitung 8A in Schnittansicht, wobei auch die Isolierschicht 24 wiedergegeben ist. Diese umschließt die Elektrodenzuleitung 8A vollständig und ist hier als einstückige Isolierschicht 24 aus­ gebildet. Es ist jedoch auch möglich, hier eine zweigeteilte Isolierschicht vorzusehen.

Aus den Fig. 5 bis 7 ist noch ersichtlich, daß die Festelektrolytkörper 6 und 10 durch aufeinan­ derliegende Schichten beziehungsweise Folien gebil­ det werden, damit die Isolierschichten 24 sowie die Elektroden und Elektrodenzuleitungen quasi aufein­ andergestapelt bereitgestellt werden können, so daß sie in einem nachfolgenden Sinterprozeß zum Meßfüh­ ler 1 zusammengesetzt werden.

Es hat sich herausgestellt, daß es besonders vor­ teilhaft ist, wenn die Zuleitung 7A der ersten Elektrode 7 die erfindungsgemäße Isolierschicht 24 aufweist. Es ist nicht erforderlich, daß sich diese Isolierschicht 24 über die gesamte Länge der Elek­ trodenzuleitung 7A erstreckt. Auch hier kann vorge­ sehen sein, daß sich die Isolierschicht 24 ledig­ lich über die Teillänge T (Fig. 4) erstreckt, also in dem Bereich, in dem die Festelektrolytkörper elektrisch leitend sind. Sofern sich also die Iso­ lierschicht 24 lediglich über die Teillänge T er­ streckt, ist es dennoch möglich, daß die Schutz­ schicht 27 die gesamte Länge der Elektrodenzulei­ tung 7A abdeckt. Das heißt, ein Teilbereich der Schutzschicht 27 liegt auf der Isolierschicht 24 auf; der andere Teil der Schutzschicht 27 ist di­ rekt auf der Elektrodenzuleitung 7A angebracht be­ ziehungsweise umgibt die Elektrodenzuleitung.

Die Isolierschicht 24 kann sowohl porös als auch dichtsinternd ausgeführt sein und besteht vorzugs­ weise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder weist Alumini­ umoxid auf. Sofern eine poröse Isolierschicht 24 vorgesehen ist, ist vorzugsweise zwischen der po­ rösen Isolierschicht 24 und dem/den Festelektrolyt­ körper(n) 6 und 10 eine gasdichte Barriere (nicht dargestellt) vorgesehen, damit die Elektrodenzulei­ tungen nicht dem Meßgas ausgesetzt sind.

Die erfindungsgemäße Isolierschicht 24 verhindert, daß die an den Elektroden 7 und 8 vorliegende Pump­ spannung U_P in die Sensorspannung beziehungsweise Nernstspannung U_N eingekoppelt wird. Es wird also eine resistive Entkopplung bereitgestellt, die zu­ dem in besonders vorteilhafter Weise die sogenannte Lambda=1-Welligkeit der Nernstspannung U_N redu­ ziert.

Claims (13)

1. Elektrochemischer Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration eines Meßgases mit einem elektro­ chemischen Element, umfassend eine elektrochemische Pumpzelle, die einen ersten Festelektrolytkörper, eine erste und zweite Elektrode und einen über eine Gaszutrittsöffnung mit einem Meßgasraum verbundenen Gasraum aufweist, in dem eine der beiden Elektroden angeordnet ist, und umfassend eine elektrochemische Sensorzelle, die eine dritte Elektrode, einen zwei­ ten Festelektrolytkörper und einen Referenzgasraum aufweist, in dem eine vierte Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektroden der Pump- und Sensorzelle eine Elektrodenzuleitung aufweisen, und wobei je­ weils zwischen einer der Elektrodenzuleitungen der ersten und zweiten Elektrode und dem zugehörigen Festelektrolytkörper eine elektrisch isolierende Schicht zumindest bereichsweise vorgesehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolie­ rende Schicht (24) die Elektrodenzuleitungen (7A, 8A) der ersten, zweiten und/oder dritten Elek­ trode (7, 8, 11) allseitig zumindest über eine Teil­ länge (T) der Elektrodenzuleitung (7A, 8A) umgibt.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Elektrode (8, 11) eine gemeinsame Elektrodenzulei­ tung (8A) aufweisen, die sich vorzugsweise kurz vor den Elektroden (8, 11) in Teilzuleitungen (8B, 8C) aufteilt.

3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolie­ rende Schicht (24) die eine oder beide Teilzulei­ tungen (8B, 8C) umgibt.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßfühler (1) eine Heizung (H) zugeordnet ist.

5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillänge (T), über die sich die elektrisch isolierende Schicht (24) erstreckt, von der - in Längsrichtung des elektrochemischen Meßfühlers (1) gesehen - Temperaturverteilung abhängt.

6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht (24) über den - in Längsrichtung des Meßfühlers (1) gesehen - Bereich der Elektroden­ zuleitung (7A, 8A) erstreckt, in dem aufgrund der über die Heizung (H) zugeführten Wärme die Fest­ elektrolytkörper (6, 10) elektrisch leitend sind.

7. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Elektrodenzuleitung (7A) der ersten Elek­ trode (7) zugeordnete Isolierschicht (24) von einer Schutzschicht (27) abgedeckt ist.

8. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schutzschicht (27) auch über die keine elektrisch isolierende Schicht (24) aufweisenden Bereiche der Elektrodenzuleitung (7A) der ersten Elektrode (7) erstreckt.

9. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24) porös oder dichtsinternd ist.

10. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufweist.

11. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der An­ sprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (27) aus Zirkonoxid (ZrO₂) besteht.

12. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer porösen Isolierschicht (24) zwischen dieser und dem/den Festelektrolytkörper(n) (6, 10) eine gasdichte Barriere vorgesehen ist.

13. Verwendung des elektrochemischen Meßfühlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen in Brennkraftmaschinen.