DE3739396A1 - Sauerstoff-sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft strombegrenzte Sauerstoff­ sensoren, insbesondere solche, die wirksam als Sauerstoff­ mangel-Überwachungsgeräte zur Verwendung in Kraftfahrzeugen und Kesseln eingesetzt werden können.

In der U.S.-Patentanmeldung Nr. 0 08 655, eingereicht am 30. Januar 1987 und übertragen auf die Anmelderin, Fuji Electric Co., Ltd., welche Anmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen sein soll, beschreibt eine Erfindung von Erfindern, die sämt­ liche Erfinder der vorliegenden Anmeldung einschließen: einen strombegrenzten Sauerstoffsensor, der aus einem Sauerstoff­ ionen leitenden Feststoffelektrolyten aus Zirkonerde (Zirkon­ dioxid) hergestellt wird, wie in Fig. 5(A) und 5(B) all­ gemein unter der Bezugsziffer 100 gezeigt ist. Die Form und Fläche eines Nachweiselements 11 im Sauerstoffsensor 100 sind gleich wie oder geringfügig geringer als die Form und die Fläche eines Raums 3, um eine elektrische Wechselwirkung zwischen dem Nachweiselement 11, in welchem ein Ionenstrom zwischen in einen festen Elektrolyten eingebetteten Elektroden 1, 2 fließt, und einem Heizelement 12 zu verhindern, welches mit in einem festen Elektrolyten eingebetteten Heizungen 5 versehen ist. Der in Sandwichanordnung zwischen Nachweis­ element 11 und Heizelement 12 angeordnete Raum 3 steht mit einem kleinen Loch oder einer Diffusionsöffnung 4 in Verbin­ dung, damit Gas aus der Umgebung in den Raum 3 eindringen kann. Zuführungen 6, 7 der Elektroden 1, 2 sind mit Anschlüssen 10 A beziehungsweise 10 D verbunden, während die Heizung 5 mit Anschlüssen 10 B beziehungsweise 10 C verbunden ist.

Bei diesem Sauerstoffsensor 100 sollte das Heizelement 12 genügend hoch erhitzt werden, um den thermischen Widerstand zu überwinden, der durch den zwischen dem Nachweiselement 11 und dem Heizelement 12 angeordneten Raum 3 erzeugt wird, um das Nachweiselement 11 auf eine vorher festlegbare Betriebs­ temperatur des Sensors 100 aufzuheizen. Da entsprechend die für den Betrieb des Sensors 100 benötigte Leistung steigt, wird das Heizelement 12 auf eine hohe Temperatur erhitzt, zum Nachteil der Langzeitstabilität des Heizelements 12. Zusätzlich zu diesem Nachteil können in dem Sensor 100 auftre­ tende thermische Spannungen schließlich den Sensor 100 selbst zerstören (wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung des Heizelements 12 und den übrigen Abschnitten des Sensors 100 zunimmt).

Die vorliegende Erfindung ist auf die wirksame Beseitigung der voranstehend angegebenen Nachteile beim Stand der Technik gerichtet. Daher wird in vorteilhafter Weise ein strombegrenz­ ter Sauerstoffsensor zur Verfügung gestellt, der infolge einer Verringerung des thermischen Widerstands zwischen dem Heiz- und dem Nachweiselement mit geringerer Leistung arbeiten kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines Sauerstoffsensors, der wirksam Wärme zu einem Nachweiselement leitet, welches ein Paar von Elektroden umfaßt, um einen Sauerstoffionen leitenden Feststoffelektrolyten in einen ionenleitenden Zustand zu versetzen.

Ein weiterer Vorteil ist die Minimalisierung thermischer Spannungen innerhalb des Sensors. In der Bereitstellung eines Sensors mit stabilen Betriebseigenschaften, der zugleich verläßlich ist und einfach herzustellen, liegt ein weiterer Vorteil. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß eine poröse posi­ tive Elektrode eines Nachweiselements und eine Heizung eines Heizelements in dem Sauerstoffsensor zur Verfügung gestellt wird, die in einer derartigen Anordnung in einen Sauerstoff­ ionen leitenden Feststoffelektrolyten eingebettet ist, daß die von den Heizungen erzeugte Wärme direkt durch den Sauer­ stoff leitenden Feststoffelektrolyten zum Nachweiselement geleitet wird.

Auf der Grundlage ihrer Untersuchungen und mehrerer Versuche, die zur Lösung der voranstehenden Probleme unternommen wurden, haben die Erfinder erkannt, daß zwar bei bekannten Anordnungen durch Bereitstellung einer negativen Elektrode eines Nachweis­ elements und Aussetzen der positiven Elektrode gegenüber der Umgebung der durch die positive Elektrode erzeugte Sauer­ stoff zur einfachen Diffusion nach außen veranlaßt wird, jedoch keine positive Elektrode zwischen Schichten aus Zirkon­ erde in einem Sauerstoffsensor bereitgestellt wird. Andererseits sollten die Elektroden des Sauerstoffsensors eher porös als vollständig dicht sein. Daher kann der von der positiven Elektrode erzeugte Sauerstoff einfach nach außen diffundieren, wenn ein Teil der zwischen den Zirkonerdeschichten angeordneten positiven Elektrode der äußeren Umgebung ausgesetzt wird. Weiterhin haben die Erfinder bewiesen, daß die durch das Elektrodenherstellungsverfahren, welches in der voranstehend angegebenen U.S.-Patentanmeldung Nr. 0 08 655 beschrieben ist, hergestellte Elektrode als eine derartige poröse Elektrode verwendet werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe und in Übereinstimmung mit der nachste­ hend ausführlich beschriebenen Erfindung wird ein Sauerstoff­ sensor bereitgestellt mit einem Sauerstoffionen leitenden Feststoffelektrolyten, einem Nachweiselement mit darin einge­ betteter positiver und negativer Elektrode, einem Heizelement mit darin eingebetteter Heizung, und mit einem Raum, der von Wänden begrenzt ist, von denen eine Wand mit einer Diffu­ sionsöffnung zur Begrenzung des diffundierenden Sauerstoffs versehen ist und eine andere Wand benachbart der negativen Elektrode angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der Erfin­ dung ist eine Abschirmelektrode zwischen dem Nachweiselement und dem Heizelement vorgesehen. Gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform wird die positive Elektrode des Nachweiselements ebenfalls als Heizelement verwendet.

Weitere Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung erläutert und sind im Lichte dieser Beschreibung offensichtlich oder ergeben sich aus der praktischen Reali­ sierung der Erfindung. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den eingesetzten Mitteln und Kombinationen, wie sie insbesondere in den Patentansprüchen angegeben sind.

Die Zeichnungen sind in die Erfindung eingeschlossen und bilden einen Teil der Erfindung, sie erläutern bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung, zusammen mit der voranstehenden summarischen Beschreibung und mit der nachstehenden Beschrei­ bung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Einschluß der Patentansprüche.

Es zeigen:

Fig. 1(A) und 1(B) eine Auf- beziehungsweise Schnittansicht eines strombegrenzten Sauerstoffsensors, bei welchem die technische Lehre der bevorzugten Ausführungs­ beispiele der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 2(A) und 2(B) schematische Auf- beziehungsweise Schnitt­ ansichten einer zweiten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 3(A) und 3(B) eine Auf- beziehungsweise Schnittansicht (im wesentlichen) einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein charakteristisches Diagramm des Sauerstoff­ sensors gemäß Fig. 3(A) und 3(B); und

Fig. 5(A) und 5(B) eine schematische Aufsicht beziehungs­ weise Schnittansicht eines konventionellen strom­ begrenzten Sauerstoffsensors.

Nachstehend werden unter Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben. In den Figuren - abgesehen von Fig. 4 - bezeichnen gleiche Bezugs­ ziffern gleiche Teile.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Sauerstoffsensor ist in Fig. 1(A) und 1(B) dargestellt und allgemein durch die Bezugsziffer 110 bezeichnet. Der Sauerstoffsensor 110 kann beispielsweise so hergestellt werden, daß die erforder­ lichen Elektroden 1, 2, eine Heizung 5 und Zuführungen 6, 7 auf blattförmige Grünkörper aus einem Feststoffelektrolyten, beispielsweise Zirkonerde, mittels Siebdruckverfahren aufge­ druckt werden, dann die blattförmigen Grünkörper gepreßt und zu einem Körper vereinigt werden, und schließlich die Kombination kalziniert wird. Wie aus Fig. 1(A) und 1(B) hervorgeht, wird auf einer Wand 3 a der Wände, die einen Raum 3 bilden, ein Nachweiselement 11 erzeugt. Eine andere Wand 3 b des Raums 3 steht mit der äußeren Atmosphäre über eine kleine Diffusionsöffnung 4 zur Begrenzung der Sauerstoff­ diffusion in Verbindung. Die negative Elektrode 2 des Nachweis­ elements 11 steht ebenfalls mit dem Raum 3 in Verbindung, wogegen die positive Elektrode 1 und die negative Elektrode 2 auf zugehörigen Seiten einer Schicht 11 A aus Zirkonerde erzeugt werden, die eine geeignete Stärke von beispielsweise etwa 100 µm aufweist.

Ein Heizelement 12 wird sehr nahe zum Nachweiselement 11 gebildet und weist eine Heizung 5 auf, die zwischen einer Schicht 12 A aus Zirkonerde geeigneter Stärke von beispiels­ weise etwa 100 µm und einer Schicht aus Zirkonerde 12 B einge­ bettet ist. Die Elektroden 1, 2 sind über die Zuführungen 6, 7 mit Anschlüssen 10 A, 10 D verbunden und die Heizungen 5 über Zuführungen 6 A, 7 A mit Anschlüssen 10 B, 10 C.

Vorzugsweise wird, um den Sauerstoffsensor 110 in der voran­ stehend beschriebenen Anordnung zu betreiben, eine geeignete Leistung der Heizung 5 zugeführt, um das Nachweiselement 11 auf eine vorher festlegbare Temperatur von beispielsweise 450°C aufzuheizen. Eine Spannung von beispielsweise 1,5 V wird über den Elektroden 1, 2 angelegt, wobei die Elektrode 1 auf positives und die Elektrode 2 auf negatives Potential gelegt wird. Dann kann der Sauerstoffgehalt der Außenluft durch Messung des durch die Elektrode 2 fließenden Stroms bestimmt werden. Das Nachweiselement 11 und das Heizelement 12 sind daher geschichtet ausgebildet ohne Luftspalt dazwischen, der zusätzlichen thermischen Widerstand erzeugen würde. Die durch das Heizelement 12 aufrechtzuerhaltende erforderliche Betriebstemperatur und korrespondierende thermische Spannungen und Schwankungen der Eigenschaften des Sensors 110 werden daher auf diese Weise verringert.

Fig. 2(A) und 2(B) stellen eine Aufsicht beziehungsweise Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie dort dargestellt ist ein Sauerstoffsensor 120 mit einer Abschirmelektrode 8 versehen, die zwischen der Elektrode 1 des Nachweiselements 11 und der Heizung 5 des Heizelements 12 angeordnet ist. Daher sind das Nachweis­ element 11 und das Heizelement 12 daran gehindert, elektrisch miteinander in Wechselwirkung zu treten, wenn eine geeignete Spannung an die Abschirmelektrode 8 angelegt wird.

Fig. 3(A) und 3(B) sind eine Aufsicht beziehungsweise Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Sauerstoffsensor 130 umfaßt das Nachweiselement 11, welches auf einer Seite des Raums 3 ausgebildet ist, der über die kleine Diffusionsöffnung 4, die die Sauerstoff­ diffusion begrenzt, in Verbindung mit der äußeren Umgebungs­ atmosphäre steht. Eine negative Elektrode 2 ist dem Raum 3 zugewandt. Die Anordnung positive Elektrode/Heizung 15 ist eine positive Elektrode, die ebenfalls als Heizung verwen­ det wird. Die negative Elektrode 2 ist über eine Zuführung 7 mit einem Anschluß 10 D verbunden, während die positive Elektrode/Heizung 15 mit Anschlüssen 10 B, 10 C verbunden ist. Eine Stromversorgung 8 für die positive Elektrode/Heizung 15 ist so an die Heizungsanschlüsse 10 B, 10 C angeschlossen, daß Anschluß 10 B auf positivem und Anschluß 10 C auf negativem Potential liegt. Ein Anschluß 10 D ist mit dem Anschluß 10 C über einen Widerstand 9 verbunden, um einen Signalstrom nach­ zuweisen, und über eine Vorspannungsquelle 13.

Fig. 4 zeigt eine charakteristische Kurve eines strombegrenz­ ten Sauerstoffsensors gemäß Fig. 3(A) und 3(B), der von Umgebungsluft umgeben ist. Die in Fig. 4 gezeigte charakte­ ristische Kurve wurde erhalten mit einem Raum 3 mit einer Fläche von etwa 2 × 2 mm², mit einer negativen Elektrode mit einer Fläche von etwa 2 × 2 mm², einer Betriebsleistung für die positive Elektrode/Heizung 15 von etwa 1,0 W, und mit einem Widerstandswert des Widerstands 9 zum Nachweis eines Signalstroms von etwa 100 Ohm. Vorzugsweise besteht die Elektrode 2 aus Platin, während die positive Elektrode/Hei­ zung 15 aus Platin oder Rhodium besteht. Die Abszissen- bezie­ hungsweise Ordinatenachse in dem charakteristischen Diagramm stellen die Spannung der Vorspannungsquelle 13 beziehungs­ weise den Signalstrom dar. Zwar ist der Nullpunkt des Signal­ stroms zur Seite negativen Potentials verschoben, wie aus der Kurve deutlich wird, wenn die Vorspannung über die als positive Elektrode dienende positive Elektrode/Heizung 15 und die negative Elektrode 2 angelegt wird, jedoch zeigt dieser Sauerstoffsensor 130 immer noch Charakteristiken ähnlich wie ein konventioneller Sauerstoffsensor 100 (Fig. 5) und gestattet die Messung des Sauerstoffgehalts der äußeren Umge­ bungsluft. Da in Fig. 4 der Stromwert bei einer Vorspannung von null Volt dem Stromwert am Plateau entspricht, kann der Plateaustrom und so der Sauerstoffgehalt gemessen werden, ohne daß die Vorspannungsquelle verwendet wird. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Sauerstoffgehalt allein mittels der Stromversorgung 8 für die positive Elektrode/Heizung 15 gemessen werden. Die Erfordernisse für die Messung des Sauerstoffgehalts allein mittels der Stromversorgung 8 für die positive Elektrode/Heizung 15 sind wie folgt: je höher die Sensortemperatur ist, desto weiter verschiebt sich die Spannung der Stromversorgungsquelle 8 für die positive Elek­ trode/Heizung 15 zur Niederspannungsseite; und daher verschiebt sich die Spannung der Stromversorgung 8 zur Seite höherer Spannung, wenn die Temperatur des Sensors 100 gering ist. Die Ergebnisse der voranstehend angeführten Versuche haben ergeben, daß bei einem Temperaturbereich des Sensors 100 von etwa 400 bis 500° die passende Spannung für die Strom­ versorgung 8 der positiven Elektrode/Heizung 15 etwa 1 bis 3 V betrug.

Zusammenfassend und wie voranstehend ausgeführt besteht die positive Elektrode des Nachweiselements aus porösem Material und ist, zusammen mit der Heizung, in den erfindungsgemäßen Sauerstoffionenleiter eingebettet, um wirksam die von der Heizung an das Nachweiselement gelieferte Wärme ohne Mithilfe des Raumes zu leiten. Daher wird auf einfache Weise eine Lösung für die beim Stand der Technik gegebenen Probleme erreicht, indem der verringerte thermische Widerstand zwischen dem Nachweis- und dem Heizelement die Temperatur des Heizele­ ments senkt und so dessen Lebensdauer verlängert. Weiterhin führt die Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem übrigen Abschnitt einschließlich des Nachweiselements zu einer Verringerung thermischer Spannungen und schließt so die Möglichkeit einer Beschädigung des Sauer­ stoffsensors und des Auftretens von Schwankungen der Charakte­ ristik aus, und daher können derartige Sauerstoffsensoren einfach hergestellt werden.

Falls die elektrische Wechselwirkung des Nachweiselements mit dem Heizelement zu einem Problem führt, kann einfach die voranstehend genannte Abschirmelektrode dazwischen ange­ bracht werden.

Die negative Elektrode 2 kann über den Widerstand 9 zum Nach­ weis eines Signalstroms an die negative Seite der Stromversor­ gung 8 für die positive Elektrode/Heizung 15 angeschlossen werden, so daß der Sauerstoffsensor 130 mit geringerer Leistung von der Stromversorgung 8 betrieben wird.

Fachleuten auf diesem Gebiet ist gegenwärtig, daß zahlreiche Modifikationen, Variationen und zusätzliche Maßnahmen bei der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung soll daher diese Modifikationen und Variationen abdecken, sofern sie innerhalb des allgemeinen Rahmens der Patentansprüche und deren Äquivalente liegen.

Claims (7)

1. Strombegrenzter Sauerstoffsensor, gekennzeich­ net durch einen Körper mit einem darin durch gegenüberliegende Wände (3 a, 3 b) ausgebildeten Raum (3), wobei eine der gegenüberliegenden Wände (3 b) mit einer Diffusionsöffnung (4) zur Begrenzung der diffundierenden Sauerstoffmenge und zur Herstellung einer Verbindung des inneren Raums (3) mit der Außenseite des Körpers versehen ist, und ein Nachweiselement (11), welches eine Heizvorrichtung (12) und voneinander beabstandete positive und negative Elektroden (1, 2), die eine vorher festlegbare Fläche aufweisen und innerhalb des Körpers eingebettet sind, umfaßt, wobei die positive Elektrode (1) porös ist und die negative Elektrode (2) in Verbindung mit dem inneren Raum (3) steht und benachbart einer anderen der gegenüber­ liegenden Wände (3 a, 3 b) angeordnet ist.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper aus mehreren benachbarten Schichten (11 A, 12 A, 12 B) aus Zirkonerde einer Stärke von etwa 100 µm gebildet ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (12) in den Körper benachbart zur positiven Elektrode (1), jedoch von dieser beabstandet, eingebettet ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weiterhin eine Abschirmelektrode (8) vorgeshen ist, welche in dem Körper zwischen dem Nachweiselement (11) und dem Heizelement (12) angeordnet ist.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weiterhin eine positive und nega­ tive Spannungsquelle vorgesehen ist und die positive Elektrode und die Heizvorrichtung integral in einer einzigen Struktur (15) vereinigt sind, die an die posi­ tive Spannungsquelle angeschlossen ist, und daß die negative Elektrode (2) an die negative Spannungsquelle angeschlossen ist.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weiterhin ein Widerstand (9) zum Nachweis eines Signalstroms vorgesehen und in Reihe mit der negativen Elektrode (2) und der Seite negativen Potentials der Stromquelle (8) angeschlossen ist.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weiterhin ein Widerstand (9) zum Nachweis eines Signalstroms vorgesehen und zwischen der negativen Elektrode (2) und der Stromversorgung (8) angeschlossen ist.