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WO2005090955A1 - Sensorelement - Google Patents

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Publication number
WO2005090955A1
WO2005090955A1 PCT/EP2005/050560 EP2005050560W WO2005090955A1 WO 2005090955 A1 WO2005090955 A1 WO 2005090955A1 EP 2005050560 W EP2005050560 W EP 2005050560W WO 2005090955 A1 WO2005090955 A1 WO 2005090955A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
sensor element
conductor track
area
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/050560
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reiner Schmitt
Thomas Wahl
Harald Guenschel
Harry Braun
Andy Tiefenbach
Ulrich Eisele
Lothar Diehl
Thomas Moser
Stefan Rodewald
Dieter Lindauer
Jürgen Sindel
Dirk Rady
Frank Buchholz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US10/593,021 priority Critical patent/US20080289961A1/en
Priority to JP2007503322A priority patent/JP4575433B2/ja
Priority to EP05707980A priority patent/EP1728071A1/de
Publication of WO2005090955A1 publication Critical patent/WO2005090955A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention is based on a sensor element according to the preamble of the independent claims.
  • Such a sensor element is known for example from DE 100 13 882 AI.
  • the planar sensor element is constructed in layer form using screen printing technology and contains a measuring gas space in which two ring-shaped electrodes are arranged on opposite sides.
  • the two electrodes are each part of an electrochemical cell, which each includes a further electrode and a solid electrolyte arranged between the electrodes.
  • the two electrodes located in the sample gas chamber are connected to a sample gas located outside the sensor element via an annular diffusion barrier and a gas access opening.
  • One of the two electrochemical cells is operated as a Nernst cell, in which a voltage (Nemst voltage) forms between the electrode in the sample gas space and the further electrode exposed to a reference gas, which voltage is a measure of the ratio of the oxygen pressure at the electrode in the sample gas space and at the the electrode exposed to the reference gas.
  • the electrodes are arranged at the measuring-side end of the sensor element, that is to say in the measuring area of the sensor element, and are connected by means of leads to contact surfaces, via which the sensor element is connected to an evaluation circuit arranged outside the sensor element connected is.
  • the contact surfaces are applied to the outer surfaces of the sensor element at the connection-side end of the sensor element, that is to say in a contact area.
  • the lead area in which the leads to the electrodes are arranged, is provided between the measuring area and the contacting area. The electrode, the lead and the contact area together form a conductor track.
  • the electrochemical cells in the measuring area of the sensor element are heated by a heating element to a temperature at which the solid electrolyte has a sufficiently good conductivity for oxygen ions.
  • the heating element must be operated at a high power in order to heat the measuring range of the sensor element to the required temperature.
  • the sensor element is also heated in the supply area and in the contacting area, so that the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte increases in the supply and contacting area, as a result of which the measurement signal can be impaired. Due to the heat flow from the measuring area, a temperature gradient is also formed in the electrode surface, as a result of which the function of the electrode and thus ultimately the measuring function of the sensor element is impaired.
  • the sensor element according to the invention with the characterizing features of the independent claims has the advantage that the heat conduction from the measuring area along the conductor track is reduced and that the electrode has a largely constant temperature over its surface.
  • the conductor track has at least one constriction, which is designed in such a way that the heat conduction along the longitudinal direction of the conductor track is reduced from the measurement area into the supply area.
  • the constriction is provided in a transition area between the measuring area and the supply area.
  • the narrowing can be implemented as a constriction and / or by means of one or more recesses.
  • the conductor track has a smaller cross-sectional area than in the areas of the conductor track adjacent to the constriction.
  • the regions adjacent to the constriction are to be understood both as the region that follows the constriction in the direction of the measuring region and the region that follows the constriction in the direction of the supply region. If the cross-sectional area were to be plotted along the longitudinal extent of the conductor track, the resulting function would have a minimum in the area of the narrowing.
  • the cross-sectional area is to be understood as the area of the conductor track in a plane that is perpendicular to the thermal gradient that is formed in the conductor track by heating the measuring area. The thermal gradient is usually parallel to the longitudinal extent of the conductor track.
  • the cross-sectional area in the area of the constriction is preferably at most 70 percent, in particular at most 50 percent, of the cross-sectional area of the conductor track in an area adjacent to the constriction. This reduces the area through which the
  • Heat can flow from the measuring area into the supply area.
  • the narrowing is carried out by at least one slot-shaped recess, which is a longer and a shorter one Has side, the longer side is arranged approximately perpendicular to the longitudinal extent of the conductor track.
  • cutouts are provided in the area of the narrowing of the conductor track, through which a net-like structure is formed in the conductor track.
  • the cutouts are particularly advantageously offset with respect to the longitudinal axis of the conductor track.
  • the narrowing is designed as a constriction of the conductor track, so that the width of the conductor track in the region of the constriction is smaller than the width of the conductor track in the regions adjacent to the constriction.
  • the width of the conductor track in the region of the constriction is particularly preferably at most 70 percent, in particular at most 50 percent, of the width of the conductor path in the regions adjacent to the constriction.
  • the conductor track is particularly advantageously used for shielding, for example, high-resistance terminated electrodes such as a reference electrode.
  • the conductor track is arranged in such a way that it absorbs fault currents and / or shields electrical couplings that can emanate, for example, from the heater.
  • a wide conductor path is required for effective shielding.
  • widening a conductor track also increases its cross-sectional area. Large cross-sectional areas result in undesirably high heat conduction. According to the invention, recesses are therefore provided in order to implement a wide conductor track with a comparatively small cross-sectional area.
  • the width b of the conductor track is to be understood as the extent of the conductor track in a direction perpendicular to its longitudinal extent and parallel to the large area of the sensor element.
  • the width b denotes the distance of the boundary of the conductor track in the direction mentioned and is therefore the same for a conductor track with or without cutouts with an identical outer contour.
  • the cross-sectional area A is reduced by introducing cutouts. Since the cutouts have only a minor influence on the quality of the shielding, the shielding of a conductor track with cutouts (with the same width b) is comparable to a conductor track without cutouts.
  • the ratio b / c ⁇ 0.8, preferably b / c ⁇ 0.5, is likewise advantageously fulfilled, where b in turn indicates the (total) width of the conductor track, while c denotes the sum of the widths of the individual sections of the conductor track, which are interrupted by the recess or recesses.
  • the height of the conductor track is advantageous
  • Extension of the conductor track in the direction perpendicular to the large area of the sensor element in the range from 4 to 20 ⁇ m, preferably in the range from 5 to 10 ⁇ m.
  • the conductor track according to the invention with a narrowing it is also advantageous that gas diffusion along the conductor track is reduced.
  • Reference gas can penetrate into the sample gas space through a conductor path with open porosity, which leads to a falsification of the measurement signal. Due to the narrowing, the conductor cross-section is reduced and the gas flow through the conductor is restricted.
  • the conductor track particularly advantageously includes an area in which the gas diffusion per unit area is additionally significantly restricted or completely prevented, for example by providing a structure with closed pores or pores in this area. This measure can effectively prevent a gas with a high oxygen content from reaching the connection-side end section of the sensor element via the conductor path into the measurement gas space.
  • the conductor track contains a metallic component, for example platinum, and a ceramic component, for example zirconium oxide stabilized with yttrium oxide.
  • a metallic component for example platinum
  • a ceramic component for example zirconium oxide stabilized with yttrium oxide.
  • the electrode lying completely in the measuring range has a first and a second electrode section, the first electronic the portion in the transition area between the measuring area and the lead area is electrically contacted with the electrode lead, and wherein the second electrode section and the first electrode section are electrically connected to one another only on their sides facing away from the lead area.
  • Figure 1 shows a sensor element according to the invention in longitudinal section
  • Figure 2 shows heating power and temperature distribution along an axis parallel to the longitudinal axis of the sensor element
  • Figure 3 shows the sensor element according to the invention in cross section along the line DI - III in Figure 1
  • Figure 4 shows one
  • FIG. 5 shows the conductor track in a sectional view according to line V - V in FIG. 4, and FIGS. 6 to 11 show further embodiments of a conductor track of the sensor element according to the invention in supervision.
  • FIGS. 1 and 3 show, as an exemplary embodiment of the invention, a sensor element 10 with a first solid electrolyte layer 21, a second solid electrolyte layer 22 and a third
  • Solid electrolyte layer 23 Between the first and the second solid electrolyte layers 21, 22 there is a hollow cylindrical measuring gas space 41, in the middle of which a hollow cylindrical diffusion barrier 42 is arranged. A gas inlet opening 43 is introduced into the first solid electrolyte layer 21, through which the one located outside the sensor element 10 Sample gas can reach the sample gas space 41 via the diffusion barrier 42.
  • the measuring gas chamber 41 is surrounded by a sealing frame 47, by means of which the measuring gas chamber 41 is sealed laterally in a gas-tight manner.
  • the sensor element 10 has a heated measuring area 11 and a supply area 12.
  • the area between the measuring area 11 and the supply area 12 is referred to as the transition area 13.
  • the heating of the measuring area 11 by a heating element 51 is described in more detail below (see FIG. 2).
  • a first conductor track 31 is arranged, which comprises a first electrode 31a and a first lead 31b to the first electrode 31a.
  • the first conductor track 31 is covered with a porous protective layer 46.
  • An electrically insulating insulation layer 45 is also provided between the first feed line 3 lb and the first solid electrolyte layer 21.
  • a second conductor track 32 is applied between the first and the second solid electrolyte layer 21, 22, which comprises a second electrode 32a arranged in the measurement gas space 41 and a second feed line 32b.
  • the second electrode 32a is applied to the first electrode 31a opposite to the first solid electrolyte layer 21 on the first solid electrolyte layer 21 facing side of the second solid electrolyte layer 22 is a third conductor 33 is nlos comprising a third electrode 33a and a third feed line "33b.
  • the third electrode 33a is arranged in the measurement gas space 41 opposite the second electrode 32a.
  • the second electrode 32a is electrically connected to the third lead 33b through a bushing 39.
  • the bushing 39 can also be provided laterally next to the sectional plane shown in FIG.
  • a fourth electrode 34a which is described in more detail below, can be arranged closer to the measuring gas space 41 and to the second and third electrodes 32a, 33a.
  • the first, second and third electrodes 31a, 32a, 33a are each designed in a ring.
  • the diffusion barrier 42 and the gas access opening 43 lie in the middle of the annular electrodes 31a, 32a, 33a.
  • a fourth conductor track 34 with the fourth electrode 34a and a fourth lead 34b is arranged on the first solid electrolyte layer 21 adjacent to the second electrode 32a.
  • the fourth electrode 34a is exposed to a reference gas.
  • the reference gas can be present, for example, in the porous fourth conductor track 34 and / or in a porous insulation layer 44. which is provided in the supply area 12 between the third conductor track 33 and the fourth conductor track 34.
  • the electrodes 31a, 32a, 33a, 34a are each electrically connected to contact surfaces (not shown), which is provided on the side of the sensor element 10 facing away from the measuring region 11.
  • the contact areas are each connected to contacting elements, via which the measurement signals are routed to external electronics (likewise not shown). Since the lead 32b of the second electrode 32a is electrically connected to the third lead 33b via the feedthrough 39, the second and third electrodes 32a, 33a have a common lead 33b in some areas.
  • a heating element 51 is arranged between the second solid electrolyte layer 22 and a third solid electrolyte layer 23, which comprises a heater 51a and a heater feed line 51b.
  • the heating element 51 is embedded in a heater insulation 52, by means of which the heating element 51 is electrically insulated from the surrounding solid electrolyte layers 22, 23.
  • the heating element 51 and the heater insulation 52 are laterally surrounded by a heater sealing frame 53.
  • FIG. 2 shows schematically with curve 201 the heating power 51 emitted in the layer plane of the heating element 51 and with curve 202 which changes due to the heating of the
  • Sensor element 10 is shown in the layer plane between the first and the second solid electrolyte layer 21, 22 forming temperature profile.
  • the abscissa of FIG. 2 shows the location along the longitudinal extent of sensor element 10 according to FIG. 1, the zero point of the abscissa being at the end of sensor element 10 on the measurement gas side.
  • the heater 51a emits an almost constant heating output over its entire surface, while the heating element 51 emits almost no heat in the region of its heater supply line 51b.
  • the heater 51a heats the second and third electrodes 32a, 33a (just like the first electrode 31a) as well as the diffusion barrier 42 and the solid electrolyte layers 21, 22 in the measuring area 11 to an almost constant temperature.
  • the temperature of the sensor element 10 falls between the transition areas 13 the measuring range 11 and the
  • FIG. 4 shows, as a first embodiment of the invention, a conductor track 101 which comprises an electrode 101a and a feed line 101b, the electrode 101a being arranged in the measuring area 11 and the feed line 101b in the feed area 12 of the sensor element 10.
  • the supply line 101b is widened on its side facing the electrode 101a, that is to say in the transition region 13, and has a constriction 60 with recesses 61 in this region 13, which form a network-like structure.
  • the cutouts 61 are arranged offset from one another with respect to the longitudinal axis of the conductor track 101 and thus also with respect to the longitudinal axis of the sensor element 10.
  • the recesses 61 reduce the heat flow from the electrode 101a, which is heated by the heater 51a, into the feed line 101b, that is to say from the measuring area 11 into the feed area 12 of the sensor element 10.
  • the conductor track 101 is divided into mutually separate conductor track sections 105 in the plane represented by the line V - V in FIG.
  • the distance between two adjacent cutouts 61 is approximately 200 ⁇ m; in general, a range from 100 ⁇ m to 400 ⁇ m has proven suitable for the distance between two recesses 61.
  • FIG. 5 shows a section through the conductor track 101 in the region of the constriction 60 along the line V - V in FIG. 4.
  • the total width of the conductor track 101 along this section line is identified by b and is, for example, approximately 3.0 mm.
  • the conductor track 101 has five conductor track sections 105, each of which has a width ci to c 5 .
  • Ci c + c 2 + c 3 + c 4 + it
  • Ci c + c 2 + c 3 + c 4 + it
  • b is located at 1, 5 to 2.0 mm and b at about 50-66 * 'per cent of the overall width.
  • h a layer thickness of, for example, 10 ⁇ m
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the invention, in which the narrowing 60 of the conductor track 101 is realized by slot-shaped cutouts 62.
  • the slot-shaped recesses 62 extend in the layer plane of the conductor track 101 perpendicular to the longitudinal axis of the sensor element 10.
  • the width of the recesses 62 is 60 to 80 percent of the total width of the conductor track 101.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the invention, in which, similarly to the second embodiment according to FIG. 6, 60-shaped recesses 62 are provided in the conductor track 101 as a narrowing.
  • the third embodiment differs from that second embodiment by a diffusion-inhibiting section 71, which directly adjoins the electrode 101a and is provided between the electrode 101a and the feed line 101b containing the recesses 62.
  • the diffusion-inhibiting section 71 has a pore content of 4 to 5 percent by volume and a closed porosity, the electrode 101a and the feed line 101b have a pore fraction of 20 to 30 percent by volume and an open porosity.
  • the ceramic portion of the diffusion-inhibiting section 71 is 20 volume percent, the ceramic portion of the electrode 101a and the lead 101b is 30 volume percent.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment of the invention, in which the conductor track 101 has a constriction 60 which is designed as a constriction 63.
  • the narrowing is therefore not realized by one or more recesses 61, 62 provided within the conductor track 101, but by reducing the overall width of the conductor track 101.
  • the width of the conductor track 101 in the area of the constriction 63 is approximately 40 percent of the width of the conductor track 101 in the areas adjacent to the constriction 63.
  • FIGS. 9 and 10 show a fifth and a sixth embodiment of the invention which, like the fourth embodiment according to FIG. 8, have a constriction 63.
  • the fifth and sixth embodiment of the invention differs from the embodiments according to FIGS. 4 to 8 by the configuration of the electrode 101a, which has a first section 81 and a second section 82.
  • the first section 81 of the electrode 101a is electrically connected to the supply line 101b in the transition area 13.
  • the first section 81 extends from the supply line 101b over the area of the gas access opening 43 in the direction of the measuring end of the sensor element.
  • the second section 81 extends from the supply line 101b over the area of the gas access opening 43 in the direction of the measuring end of the sensor element.
  • Section 82 of the electrode 101a is designed in a ring shape and is electrically connected on its side facing away from the lead area 12 to the first section 81 in the area designated by the reference number 85 in FIGS. 9 and 10.
  • the second section 82 On its side facing the supply area 12, the second section 82 has a cutout 83 in which the first section 81 is arranged. The first section 81 and the second
  • Sections 82 are spaced apart on their sides facing the feed area 12 and are not electrically connected.
  • the fifth and the sixth embodiment of the invention according to FIGS. 9 and 10 differ in the design of the first section 81, which in FIG. 9 is embodied as a straight conductor track which has a cutout for the gas inlet opening 43, the diameter of this cutout being the same as the diameter corresponds to the gas inlet opening.
  • the first section 81 has an annular recess surrounding the gas inlet opening 43, the inner diameter of the annular recess being larger than the diameter of the gas inlet opening.
  • the conductor track 101 has a comparatively wide cross section in the transition region 13, which is interrupted by cutouts 61, 62.
  • the conductor track 101 which is wide in the transition region 13, acts as a shield against electrical coupling. Electrical couplings are shielded particularly effectively if the largest dimension of the recesses 61, 62 is smaller than the shortest distance between the conductor track 101 provided with the recesses 61, 62 and the electrically scattering conductor track (such as the heater 51a).
  • FIGS. 4 to 7 are particularly well suited for the third conductor track 33 in the sensor element 10 shown in FIGS. 1 and 3.
  • the embodiments according to FIGS. 8 to 10 are particularly well suited for the first conductor track 31 of the latter Sensor elements 10 shown in FIGS. 1 and 3.
  • the embodiments of the conductor track 101 shown in FIGS. 4 to 10 can, however, be used independently of the particular advantages described because of the reduced heat conduction and gas diffusion for flexible conductor tracks in planar exhaust gas sensors.
  • FIG. 11 shows, as a seventh embodiment of the invention, a top view of the second solid electrolyte layer 22 of the sensor element 10 according to FIGS. 1 and 3 and the third conductor track 33 with the third electrode 33a and the third feed line 33b.
  • the dashed line also shows the projection of the fourth conductor track 34 with the fourth electrode 34a and the fourth lead 34b onto the plane of the drawing.
  • the third conductor track 33 has a narrowing 60 in the transition region 13 with a lattice-like structure 91, which is implemented similarly to FIG. 4, but with thinner conductor track sections.
  • the lattice-like structure 91 is interrupted by a strip 92 designed as a solid surface, which runs along the projection of the contour of the fourth conductor track 34 onto the layer plane of the third conductor track 33.
  • the strip 92 has a width of at least 0.5 mm.
  • the Strip 92 in the area of the corners 95 of the fourth electrode 34a forms an enlarged, for example circular, full surface (not shown) compared to the strip 92, the projection of a corner 95 of the fourth electrode 34a onto the layer plane of the third conductor 33 forming the center of the circular solid surface ,
  • the full-area strip 92 prevents arcing between the fourth conductor track 34 and the third conductor track 33 through the insulation layer 44.
  • Such flashovers preferably occur at high field strengths, which are formed, for example, at the edges of the fourth electrode 34a, in particular at the corners 95 thereof.
  • the strips 92 oppose the edges of the fourth electrode 34a with a solid surface on which comparatively low field strengths are formed. This measure reduces the likelihood of rollovers due to the insulation layer 44.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) vorgeschlagen, das insbesondere dem Nachweis einer Gaskomponente in einem Messgas, vorzugsweise der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine dient. Das Sensorelement (10) weist eine auf einem Festelektrolyten (21, 22) aufgebrachten Leiterbahn (101) auf, die eine in einem Messbereich (11) des Sensorelements (10) vorgesehene Elektrode (101 a) und eine zur Elektrode (101 a) führende, in einem Zuleitungsbereich (12) des Sensorelements (10) angeordnete Elektrodenzuleitung (10lb) umfasst. Zur Beheizung des Messbereichs (11) des Sensorelements (10) ist ein Heizelement (51) vorgesehen. Die Leiterbahn (101) weist in einem Übergangsbereich (13) zwischen dem Messbereich (11) und dem Zuleitungsbereich (12) eine Verengung (60) auf. Als weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Elektrode (101a) einen ersten Elektrodenabschnitt (81) und einen zweiten Elektrodenabschnitt (82), wobei der erste Elektrodenabschnitt (81) in einem Übergangsbereich (13) zwischen dem Messbereich (11) und dem Zuleitungsbereich (12) mit der Elektrodenzuleitung (10lb) verbunden ist, und wobei der erste und der zweite Elektrodenabschnitt (81, 82) nur auf ihren dem Zuleitungsbereich (12) abgewandten Seiten miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Sensorelement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 100 13 882 AI bekannt. Das planare Sensorelement ist in Siebdrucktechnik schichtformig aufgebaut und enthält einen Messgasraum, in dem auf gegenüberliegenden Seiten zwei ringförmige Elektroden angeordnet sind. Die beiden Elektroden sind jeweils Teil einer elektrochemischen Zelle, zu der jeweils eine weitere Elektrode sowie jeweils ein zwischen den Elektroden angeordneter Festelektrolyt gehört. Die beiden im Messgasraum abgeordneten Elektroden sind über eine ringförmige Difrusionsbarriere und eine Gaszutrittsöfrhung mit einem außerhalb des Sensorelements befindlichen Messgas verbunden. Die eine der beiden elektrochemischen Zellen wird als Nernstzelle betrieben, bei der sich zwischen der Elektrode im Messgasraum und der weiteren einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode eine Spannung (Nemstspannung) ausbildet, die ein Maß für das Verhältnis des Sauerstof artialdrucks an der Elektrode im Messgasraum und an der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode ist. Die andere der beiden elektrochemischen Zellen dient als Pumpzelle, durch die durch Anlegen einer Spannung Sauerstoff in den Messgasraum oder aus dem Messgasraum derart gepumpt wird, dass im Messgasraum ein SauerstofϊpajUaldruck von λ=l vorliegt.
Die Elektroden sind am messseitigen Ende des Sensorelements, also im Messbereich des Sensorelements angeordnet, und mittels Zuleitungen mit Kontaktflächen verbunden, über die das Sensorelement mit einer außerhalb des Sensorelements angeordneten Auswerteschaltung verbunden ist. Die Kontaktflächen sind am anschlussseitigen Ende des Sensorelements, also in einem Kontaktierungsbereich, auf die Außenflächen des Sensorelements aufgebracht. Zwischen dem Messbereich und dem Kontaktierungsbereich ist der Zuleitungsbereich vorgesehen, in dem die Zuleitungen zu den Elektroden angeordnet sind. Die Elektrode, die Zuleitung und die Kontaktfläche bilden zusammen eine Leiterbahn.
Die elektrochemischen Zellen im Messbereich des Sensorelements werden durch ein Heizelement auf eine Temperatur erwärmt, bei der der Festelektrolyt eine ausreichend gute Leitf higkeit für Sauerstoffionen aufweist.
Bei einem derartigen Sensorelement ist nachteilig, dass über die Leiterbahn, insbesondere über die Elektrodenzuleitung, Wärme aus dem Messbereich des Sensorelements abgeleitet wird. Als Folge des Wärmeflusses aus dem Messbereich muss zum einen das Heizelement mit einer hohen Leistung betrieben werden, um den Messbereich des Sensorelements auf die erforderliche Temperatur zu heizen. Zum anderen wird das Sensorelement auch im Zuleitungsbereich und im Kontaktierungsbereich aufgeheizt, so dass die Sauerstoffionenleitfahig- keit des Festelektrolyten im Zuleitungs- und Kontaktierungsbereich ansteigt, wodurch das Messsignal beeinträchtigt werden kann. Durch den Wärmefluss aus dem Messbereich bildet sich zudem in der Elektrodenfläche ein Temperaturgradient aus, wodurch die Funktion der Elektrode und damit letztlich die Messfuhktion des Sensorelements beeinträchtigt wird.
Weiterhin ist bekannt, Leiterbahnen mit offener Porosität vorzusehen, so dass sich an den Elektroden sogenannten Drei-Phasen-Grenzen ausbilden, an denen ein Sauerstoffübergang zwischen Gas und Festelektrolyt möglich ist Weist die Leiterbahn eine im Messgasraum angeordnete Elektrode auf, und steht die Zuleitung der Leiterbahn mit dem Referenzgas in Verbindung, so ist nachteilig, dass das einen hohen Sauerstoffanteil enthaltende Referenzgas über die miteinander verbundenen Poren (offenen Porosität) der Leiterbahn in den Messgasraum gelangen kann. Da somit der Sauerstofϊpartialdruck im Bereich der Elektrode verändert wird, wird das Messsignal verfälscht. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Wärmeleitung aus dem Messbereich entlang der Leiterbahn vermindert wird, und dass die Elektrode über ihre Fläche eine weitgehend konstante Temperatur aufweist.
Hierzu weist die Leiterbahn mindestens eine Verengung auf, die derart gestaltet ist, dass die Wärmeleitung entlang der Längsrichtung der Leiterbahn aus dem Messbereich in den Zulei- tungsbereich vermindert wird. Die Verengung ist in einem Übergangsbereich zwischen dem Messbereich und dem Zuleitungsbereich vorgesehen. Die Verengung kann als Einschnürung und/oder mittels einer Aussparung oder mehrerer Aussparungen realisiert werden.
Im Bereich der Verengung weist die Leiterbahn eine geringere Querschnittsfläche auf als in den der Verengung benachbarten Bereichen der Leiterbahn. Mit den der Verengung benachbarten Bereichen ist sowohl der Bereich zu verstehen, der sich an die Verengung in Richtung des Messbereichs anschließt, als auch der Bereich, der sich an die Verengung im Richtung des Zuleitungsbereichs anschließt. Würde man also die Querschnittsfläche entlang der Längserstreckung der Leiterbahn auftragen, so würde die resultierende Funktion im Bereich der Verengung ein Minimum aufweisen. Unter der Querschnittsfläche ist die Fläche der Leiterbahn in einer Ebene zu verstehen, die senkrecht zu dem Wärmegradienten steht, der sich durch die Beheizung des Messbereichs in der Leiterbahn ausbildet. Der Wärmegradient ist in der Regel parallel zur Längserstreckung der Leiterbahn gerichtet.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der in den unabhängigen Ansprüchen genannten Sensorelemente möglich.
Bevorzugt beträgt die Querschnittsfläche im Bereich der Verengung höchstens 70 Prozent, insbesondere höchstens 50 Prozent der Querschnittsfläche der Leiterbahn in einem der Verengung benachbarten Bereich. Hierdurch vermindert sich die Fläche, durch die der
Wärmefluss aus dem Messbereich in den Zuleitungsbereich erfolgen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verengung durch mindestens eine schlitzförmig ausgestaltete Aussparung ausgeführt, die eine längere und eine kürzere Seite aufweist, wobei die längere Seite ungefähr senkrecht zur Längserstreckung der Leiterbahn angeordnet ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind im Bereich der Verengung der Leiterbahn mehrere Aussparungen vorgesehen, durch die in der Leiterbahn eine netzartige Struktur ausgebildet wird. Besonders vorteilhaft sind die Aussparungen bezüglich der Längsachse der Leiterbahn zueinander versetzt angeordnet.
Bei einer weiteren alternativen Ausfuhrungsform ist die Verengung als Einschnürung der Leiterbahn ausgestaltet, so dass die Breite der Leiterbahn im Bereich der Einschnürung kleiner ist als die Breite der Leiterbahn in den an die Einschnürung angrenzenden Bereichen.
Besonders bevorzugt beträgt die Breite der Leiterbahn im Bereich der Einschnürung höchstens 70 Prozent, insbesondere höchstens 50 Prozent, der Breite der Leiterbahn in den an die Einschnürung angrenzenden Bereichen.
Durch die genannten Ausführungsformen wird die Wärmeleitung aus dem Messbereich in den
Zuleitungsbereich wirkungsvoll vermindert.
Besonders vorteilhaft dient die Leiterbahn zusätzlich zur Abschirmung beispielsweise hoch- ohmig abgeschlossener Elektroden wie einer Referenzelektrode. Hierzu ist die Leiterbahn so angeordnet, dass sie Fehlerströme aufnimmt und/oder elektrische Einkopplungen, die beispielsweise vom Heizer ausgehen können, abschirmt. Für eine wirksame Abschirmung ist eine breite Leiterbahn erforderlich. Durch die Verbreiterung einer Leiterbahn wird aber auch ihre Querschnittsfläche vergrößert. Große Querschnittsflächen haben eine unerwünscht hohe Wärmeleitung zur Folge. Erfindungsgemäß sind daher Aussparungen vorgesehen, um eine breite Leiterbahn mit vergleichsweise geringer Querschnittsfläche zu realisieren. Unter der Breite b der Leiterbahn ist die Ausdehnung der Leiterbahn in einer Richtung senkrecht zu ihrer Längserstreckung und parallel zur Großfläche des Sensorelements zu verstehen. Die Breite b bezeichnet den Abstand der Begrenzung der Leiterbahn in der genannten Richtung und ist damit für eine Leiterbahn mit oder ohne Aussparungen bei identischer Außenkontur gleich. Dagegen verringert sich die Querschnittsfläche A durch das Einbringen von Aussparungen. Da die Aussparungen nur einen geringen Einfiuss auf die Güte der Abschirmung haben, ist die Abschirmung einer Leiterbahn mit Aussparungen (bei gleicher Breite b) vergleichbar mit einer Leiterbahn ohne Aussparungen. Da sich aber durch das Einbringen der Aussparungen die Querschnittsfläche A deutlich verringert, ist die Wärmeleitung bei einer Leiterbahn mit Aussparungen deutlich geringer als bei einer Leiterbahn ohne Aussparungen. Vorteilhaft ist im Bereich der Aussparung das Verhältnis A/b < 0,1 mm, vorzugsweise A/b < 0,02 mm, erfüllt, mit dem eine gute Abschirmung bei geringer Wärmeleitung erreicht werden kann.
Ebenfalls vorteilhaft ist das Verhältnis b/c < 0,8, vorzugsweise b/c < 0,5, erfüllt, wobei b wiederum die (Gesamt-)Breite der Leiterbahn angibt, während c die Summe der Breiten der einzelnen Abschnitte der Leiterbahn bezeichnet, die durch die Aussparung beziehungsweise die Aussparungen unterbrochen sind. Vorteilhaft liegt die Höhe der Leiterbahn, also die
Ausdehnung der Leiterbahn in der Richtung senkrecht zur Großfläche des Sensorelements, im Bereich von 4 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 μm.
Bei der erfindungsgemäßen Leiterbahn mit einer Verengung ist zudem vorteilhaft, dass eine Gasdiffusion entlang der Leiterbahn vermindert wird. Durch eine Leiterbahn mit offener Porosität kann Referenzgas in den Messgasraum eindringen, was zu einer Verfälschung des Messsignals führt. Durch die Verengung wird der Leiterbahnquerschnitt vermindert und damit der Gasfluss durch die Leiterbahn eingeschränkt. Besonders vorteilhaft umfasst die Leiterbahn einen Bereich, in dem zusätzlich die Gasdiffusion pro Flächeneinheit deutlich einge- schränkt oder ganz unterbunden ist, beispielsweise indem in diesem Bereich eine Struktur mit geschlossenen Porer öder ohne Poren vorgesehen ist. Mit dieser Maßnahme kann wirkungsvoll verhindert werden, dass ein Gas mit einem hohen Sauerstoffänteil aus dem anschlussseiti- gen Endabschnitt des Sensorelements über die Leiterbahn in den Messgasraum gelangt. "Üblicherweise enthält die Leiterbahn einen metallischen Anteil, beispielsweise Platin, und einen keramischen Anteil, beispielsweise mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid. Durch eine Verminderung des keramischen Anteils wird der Porenanteil verkleinert beziehungsweise ein Bereich mit geschlossener Porosität bereitgestellt. Der Bereich der Leiterbahn, in dem die Gasdiffusion deutlich eingeschränkt oder ganz unterbunden ist, ist vorteilhaft direkt benachbart zum Messgasraum vorgesehen und gegenüber der Gesamtlänge der Leiterbahn kurz ausgeführt.
Bei einer alternativen Ausführungsfoπn der Erfindung, die auch unabhängig von den vorgenannten Maßnahmen realisiert werden kann, weist die vollständig im Messbereich liegende Elektrode einen ersten und einen zweiten Elektrodenabschnitt auf, wobei der erste Elektro- denabschnitt in dem Übergangsbereich zwischen dem Messbereich und dem Zuleitungsbereich mit der Elektrodenzuleitung elektrisch kontaktiert ist, und wobei der zweite Elektrodenabschnitt und der erste Elektrodenabschnitt nur auf ihren dem Zuleitungsbereich abgewandten Seiten miteinander elektrisch verbunden sind. Bei einer derartigen Anordnung kann der Wärmefluss aus dem zweiten Elektrodenabschnitt zu der Zuleitung der Leiterbahn nur über den ersten Elektrodenabschnitt erfolgen. Damit wird der Wärmefluss insbesondere aus dem zweiten Elektrodenabschnitt in die Zuleitung vermindert, ohne dass die Messfunktion der Elektrode (beispielsweise durch eine Verminderung der Fläche der Elektrode) verschlechtert wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement im Längsschnitt, die Figur 2 zeigt Heizleistung und Temperaturverteilung entlang einer Achse parallel zur Längsachse des Sensorelements, die Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Sensorelement im Querschnitt entlang der Linie DI - III in Figur 1 , die Figur 4 zeigt eine
Aus ührungsfαrm einer Leiterbahn des erfindungsgemäßen Sensorelements in Aufsicht, die Figur 5 zeigt die Leiterbahn in Schnittdarstellung gemäß der Linie V - V in Figur 4, und die Figuren 6 bis 11 zeigen weitere Ausfuhrungsformen einer Leiterbahn des erfindungsgemäßen Sensorelements in Aufsicht.
Beschreibung
Die Figuren 1 und 3 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sensorelement 10 mit einer ersten Festelektrolytschicht 21, einer zweiten Festelektrolytschicht 22 und einer dritten
Festelektrolytschicht 23. Zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ist ein hohlzylindrischer Messgasraum 41 vorgesehen, in dessen Mitte eine hohlzylindrische Diffusionsbarriere 42 angeordnet ist. In die erste Festelektrolytschicht 21 ist eine Gaszutrittsöffiiung 43 eingebracht, durch die das außerhalb des Sensorelements 10 befindliche Messgas über die Diffiisionsbarriere 42 in den Messgasraum 41 gelangen kann. Der Messgasraum 41 wird von einem Dichtrahmen 47 umgeben, durch den der Messgasraum 41 seitlich gasdicht abgedichtet ist.
Das Sensαrelement 10 weist einen beheizten Messbereich 11 und einen Zuleitungsbereich 12 auf. Der Bereich zwischen dem Messbereich 11 und dem Zuleitungsbereich 12 wird als Übergangsbereich 13 bezeichnet. Die Beheizung des Messbereichs 11 durch ein Heizelement 51 wird im weiteren detaillierter beschrieben (siehe Figur 2).
Auf der eine Außenfläche des Sensorelements 10 bildenden Seite der ersten Festelektrolytschicht 21 ist eine erste Leiterbahn 31 angeordnet, die eine erste Elektrode 31a und eine erste Zuleitung 31b zur ersten Elektrode 31a umfasst. Die erste Leiterbahn 31 ist mit einer porösen Schutzschicht 46 abgedeckt. Zwischen der ersten Zuleitung 3 lb und der ersten Festelektrolytschicht 21 ist weiterhin eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 45 vorgesehen.
Zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ist eine zweite Leiterbahn 32 aufgebracht, die eine zweite, im Messgasraum 41 angeordnete Elektrode 32a und eine zweite Zuleitung 32b umfasst. Die zweite Elektrode 32a ist der ersten Elektrode 31a gegenüberliegend auf der ersten Festelektrolytschicht 21 aufgebracht Auf der der ersten Festelektrolytschicht 21 zugewandten Seite der zweiten Festelektrolytschicht 22 ist eine dritte Leiterbahn 33 ngeordnet, die eine dritte Elektrode 33a und eine dritte Zuleitung«33b umfasst. Die dritte Elektrode 33a ist im Messgasraum 41 gegenüber der zweiten Elektrode 32a angeordnet. Die zweite Elektrode 32a ist durch eine Durchführung 39 mit der dritten Zuleitung 33b elektrisch verbunden. Die Durchführung 39 kann auch seitlich neben der in Figur 1 dargestellten Schnittebene vorgesehen sein, so dass eine im folgenden näher beschriebene vierte Elektrode 34a näher beim Messgasraum 41 und bei der zweiten und dritten Elektrode 32a, 33a angeordnet werden kann. Die erste, die zweite und die dritte Elektrode 31a, 32a, 33a sind jeweils ringförmig gestaltet. In der Mitte der ringförmigen Elektroden 31a, 32a, 33a liegt die Diffiisionsbarriere 42 und die Gaszutrittsöfrhung 43.
Benachbart zur zweiten Elektrode 32a ist auf der ersten Festelektrolytschicht 21 eine vierte Leiterbahn 34 mit der vierten Elektrode 34a und einer vierten Zuleitung 34b angeordnet. Die vierte Elektrode 34a ist einem Referenzgas ausgesetzt. Das Referenzgas kann beispielsweise in der porösen vierten Leiterbahn 34 und/oder in einer porösen Isolationsschicht 44 vorliegen, die im Zuleitungsbereich 12 zwischen der dritten Leiterbahn 33 und der vierten Leiterbahn 34 vorgesehen ist.
Durch die Zuleitungen 31b, 33b, 34b sind die Elektroden 31a, 32a, 33a, 34a jeweils mit Kontaktflächen (nicht dargestellt) elektrisch verbunden, die auf der dem Messbereich 11 abgewandten Seite des Sensorelements 10 vorgesehen ist. Die Kontaktflächen sind jeweils mit Kontaktierungselementen verbunden, über die die Messsignale zu einer externen Elektronik geleitet werden (ebenfalls nicht dargestellt). Da die Zuleitung 32b der zweiten Elektrode 32a über die Durchführung 39 mit der dritten Zuleitung 33b elektrisch verbunden ist, weisen die zweite und die dritte Elektrode 32a, 33a bereichsweise eine gemeinsame Zuleitung 33b auf.
Zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 22 und einer dritten Festelektrolytschicht 23 ist ein Heizelement 51 angeordnet, das einen Heizer 51a und eine Heizerzuleitung 51b umfasst. Das Heizelement 51 ist in eine Heizerisolation 52 eingebettet, durch die das Heizelement 51 von den umgebenden Festelektrolytschichten 22, 23 elektrisch isoliert ist. Das Heizelement 51 und die Heizerisolation 52 ist seitlich von einem Heizerdichtrahmen 53 umgeben.
In Figur 2 ist schematisch mit Kurve 201 die in der Schichtebene des Heizelements 51 abgegebene Heizleistung 51 sowie mit Kurve 202 der sich aufgrund der Beheizung des
Sensorelements 10 in der Schichtebenen zwischerMer ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ausbildende Temperaturverlauf dargestellt. Auf der Abszisse der Figur 2 ist dabei der Ort entlang der Längserstreckung des Sensorelements 10 gemäß Figur 1 dargestellt, wobei der Nullpunkt der Abszisse beim messgasseitigen Ende des Sensorelements 10 liegt. Der Heizer 51a gibt über seine gesamte Fläche eine nahezu konstante Heizleistung ab, während das Heizelement 51 im Bereich seiner Heizerzuleitung 51b nahezu keine Wärme abgibt. Durch den Heizer 51a werden die zweite und dritte Elektrode 32a, 33a (ebenso wie die erste Elektrode 31a) sowie die Diffiisionsbarriere 42 und die Festelektrolytschichten 21, 22 im Messbereich 11 auf eine nahezu konstante Temperatur erhitzt Die Temperatur des Sensorelements 10 fallt im Übergangsbereich 13 zwischen dem Messbereich 11 und dem
Zuleitungsbereich 12 stark ab. Der Übergangsbereich 13 wird also durch den Bereich gebildet, in dem bei einem beheizten Sensorelement 10 ein hoher Temperaturgradient auftritt. Die Figur 4 zeigt als erste Ausführungsform der Erfindung eine Leiterbahn 101, die eine Elektrode 101a und eine Zuleitung 101b umfasst, wobei die Elektrode 101a im Messbereich 11 und die Zuleitung 101b im Zuleitungsbereich 12 des Sensorelements 10 angeordnet ist. Die Zuleitung 101b ist auf ihrer der Elektrode 101a zugewandten Seite, also im Übergangsbe- reich 13, verbreitert ausgestaltet und weist in diesem Bereich 13 eine Verengung 60 mit Aussparungen 61 auf, die eine netzartige Struktur bilden. Die Aussparungen 61 sind bezüglich der Längsachse der Leiterbahn 101 und damit auch bezüglich der Längsachse des Sensorelements 10 zueinander versetzt angeordnet. Durch die Aussparungen 61 wird der Wärmefluss von der Elektrode 101a, die durch den Heizer 51a beheizt wird, in die Zuleitung 101b, also vom Messbereich 11 in den Zuleitungsbereich 12 des Sensorelements 10, vermindert.
Durch die Aussparungen 61 wird die Leiterbahn 101 in der durch die Linie V - V in Figur 4 dargestellten Ebene in voneinander getrennte Leiterbahnäbschnitte 105 unterteilt. Der Abstand zweier benachbarter Aussparungen 61 liegt bei ungefähr 200 μm; allgemein hat sich für den Abstand zweier Aussparungen 61 ein Bereich von 100 μm bis 400 μm als geeignet erwiesen. Die Figur 5 zeigt einen Schnitt durch die Leiterbahn 101 im Bereich der Verengung 60 entlang der Linie V - V in Figur 4. Die Gesamtbreite der Leiterbahn 101 entlang dieser Schnittlinie wird durch b gekennzeichnet und hegt beispielsweise bei ungefähr 3,0 mm. Entlang dieser Schnittlinie weist die Leiterbahn 101 fünf Leiterbahnabschnitt 105 auf, die jeweils eine Breite ci bis c5 aufweisen. Die Summe c der Breiten der einzelnen Teilabschnitte
(also c = Ci + c2 + c3 + c4 + es) liegt bei 1 ,5 bis 2,0 mm und damit bei ungefähr 50 bis 66 *' Prozent der Gesamtbreite b. Bei einer Schichtdicke h von beispielsweise 10 μm weisen die Teilabschnitte in der in Figur 14b dargestellten Schnittebene einen Gesamtquerschnitt A von 0,015 bis 0,02 mm2 auf, wobei A = h(Ci + c2 + c3 + c4 + es).
Die Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verengung 60 der Leiterbahn 101 durch schlitzförmig ausgestaltete Aussparungen 62 realisiert ist. Die schlitzförmigen Aussparungen 62 erstrecken sich in der Schichtebene der Leiterbahn 101 senkrecht zur Längsachse des Sensorelements 10. Die Breite der Aussparungen 62 Hegt bei 60 bis 80 Prozent der Gesamtbreite der Leiterbahn 101.
Die Figur 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der in der Leiterbahn 101 ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 6 als Verengung 60 sclditzförmige Aussparungen 62 vorgesehen sind. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform durch einen diffiisionshemmenden Abschnitt 71, der sich direkt an die Elektrode 101a anschließt und zwischen der Elektrode 101a und der die Aussparungen 62 enthaltenden Zuleitung 101b vorgesehen ist Der diffusionshemmende Abschnitt 71 weist einen Porenanteil von 4 bis 5 Volumenprozent und eine geschlossenen Porosität, die Elektrode 101a und die Zuleitung 101b einen Porenanteil von 20 bis 30 Volumenprozent und eine offenen Porosität auf. Der keramische Anteil des diffiisionshemmenden Abschnitts 71 hegt bei 20 Volumenprozent, der keramische Anteil der Elektrode 101a und der Zuleitung 101b hegt bei 30 Volumenprozent.
Die Figur 8 zeigt eine vierte Ausführungsfoim der Erfindung, bei der die Leiterbahn 101 eine Verengung 60 aufweist, die als Einschnürung 63 ausgebildet ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4 bis 7 ist die Verengung also nicht durch eine oder mehrere innerhalb der Leiterbahn 101 vorgesehene Aussparungen 61, 62, sondern durch eine Verringerung der Gesamtbreite der Leiterbahn 101 realisiert. Die Breite der Leiterbahn 101 im Bereich der Einschnürung 63 beträgt ungefähr 40 Prozent der Breite der Leiterbahn 101 in den an die Einschnürung 63 angrenzenden Bereichen.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine fünfte und eine sechste Ausführungsform der Erfindung, die wie die vierte Ausfuhrungsform gemäß Figur 8 eine Einschnürung 63 aufweisen. Die fünfte und sechste Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 bis 8 durch die Ausgestaltung der Elektrode 101a, die einen ersten Abschnitt 81 und einen zweiten Abschnitt 82 aufweist. Der erste Abschnitt 81 der Elektrode 101a ist mit der Zuleitung 101b im Übergangsbereich 13 elektrisch verbundeα Der erste Abschnitt 81 erstreckt sich von der Zuleitung 101b aus über den Bereich der GaszutrittsöfBiung 43 in Richtung des messseitigen Endes des Sensorelements. Der zweite
Abschnitt 82 der Elektrode 101a ist ringförmig gestaltet und auf seiner dem Zuleitungsbereich 12 abgewandten Seite mit dem ersten Abschnitt 81 in dem in den Figuren 9 und 10 mit der Bezugsziffer 85 bezeichneten Bereich elektrisch verbunden. Aufseiner dem Zuleitungsbereich 12 zugewandten Seite weist der zweite Abschnitt 82 eine Aussparung 83 auf, in der der erste Abschnitt 81 angeordnet ist Der erste Abschnitt 81 und der zweite
Abschnitt 82 sind auf ihren dem Zuleitungsbereich 12 zugewandten Seiten beabstandet angeordnet und nicht elektrisch verbunden. Die fünfte und die sechste Ausführungsform der Erfindung gemäß den Figuren 9 und 10 unterscheiden sich in der Gestaltung des ersten Abschnitts 81, der bei Figur 9 als gerade Leiterbahn ausgeführt ist, die eine Aussparung für die Gaszutrittsöffiiung 43 aufweist, wobei der Durchmesser dieser Aussparung dem Durchmesser der Gaszutrittsöffiiung entspricht. Bei der sechsten Ausführungsform gemäß Figur 10 weist der erste Abschnitt 81 eine die Gaszutrittsöffiiung 43 umgebende kreisringförmige Aussparung auf, wobei der Innendurchmesser der kreisringfδrmigen Aussparung größer ist als der Durchmesser der Gaszutrittsöffiiung.
Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 bis 7 weist die Leiterbahn 101 im Übergangsbereich 13 einen vergleichsweise breiten Querschnitt auf, der durch Aussparungen 61, 62 unterbrochen ist. Die im Übergangsbereich 13 breite Leiterbahn 101 wirkt als Abschirmung gegen elektrische Einkopplungen. Besonders wirkungsvoll werden elektrische Einkopplungen abgeschirmt, wenn die größte Abmessung der Aussparungen 61, 62 kleiner ist als der kürzeste Abstand der mit den Aussparungen 61, 62 versehenen Leiterbahn 101 zu der elektrisch einstreuenden Leiterbahn (wie beispielsweise dem Heizer 51a).
Besonders gut geeignet sind die Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 bis 7 für die dritte Leiterbahn 33 bei dem in den Figuren 1 und 3 dargestellten Sensorelement 10. Dagegen eignen sich die Ausfiihrungsformen gemäß den Figuren 8 bis 10 besonders gut für die erste Leiterbahn 31 des bei dem in den Figuren 1 und 3 dargestellten Sensorelements 10. Die in den Figuren 4 bis 10 dargestellten Ausführungsformen der Leiterbahn 101 lassen sich jedoch unabhängig von den beschriebenen besonderen Vorteilen aufgrund der verminderten Wärmeleitung und Gasdiffusion für behebige Leiterbahnen in planaren Abgassensoren einsetzen.
Figur 11 zeigt als siebte Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht die zweite Festelektrolytschicht 22 des Sensorelements 10 gemäß den Figuren 1 und 3 sowie die dritte Leiterbahn 33 mit der dritten Elektrode 33a und der dritten Zuleitung 33b. Weiterhin ist gestrichelt die Projektion der vierten Leiterbahn 34 mit der vierten Elektrode 34a und der vierten Zuleitung 34b auf die Zeichnungsebene dargestellt. Die dritte Leiterbahn 33 weist im Übergangsbereich 13 eine Verengung 60 mit einer gitterartigen Struktur 91 auf, die ähnlich wie in Figur 4, aber mit dünneren Leiterbahnäbschnitten realisiert ist. Die gitterartige Struktur 91 ist unterbrochen durch einen als Vollfläche ausgebildeten Streifen 92, der entlang der Projektion der Kontur der vierten Leiterbahn 34 auf die Schichtebene der dritten Leiterbahn 33 verläuft. Der Streifen 92 weist eine Breite von mindestens 0,5 mm auf. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Streifen 92 im Bereich der Ecken 95 der vierten Elektrode 34a eine gegenüber dem Streifen 92 vergrößerte, beispielsweise kreisförmige Vollfläche ausbildet (nicht dargestellt), wobei die Projektion einer Ecke 95 der vierten Elektrode 34a auf die Schichtebene der dritten Leiterbahn 33 den Mittelpunkt der kreisförmigen Vollfläche bildet. Durch den vollflächigen Streifen 92 werden Überschläge zwischen der vierten Leiterbahn 34 und der dritten Leiterbahn 33 durch die Isolationsschicht 44 hindurch verhindert. Derartige Überschläge treten bevorzugt bei hohen Feldstärken aus, die sich beispielsweise an den Rändern der vierten Elektrode 34a, insbesondere an deren Ecken 95, ausbilden. Durch den Streifen 92 stehen den Rändern der vierten Elektrode 34a eine Vollfläche gegenüber, an der sich vergleichsweise niedrige Feldstärken ausbilden. Durch diese Maßnahme wird die Wahrscheinhchkeit von Überschlägen durch die Isolationsschicht 44 vermindert.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement (10), insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in einem Mess- gas, vorzugsweise zum Bestimmung der Sauerstoffl onzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einer auf einem Festelektrolyten (21, 22) aufgebrachten Leiterbahn (101), die eine in einem Messbereich (11) des Sensorelements (10) vorgesehene Elektrode (101a) und eine zur Elektrode (101a) führende, in einem Zuleitungsbereich (12) des Sensorelements (10) angeordnete Elektrodenzuleitung (101b) umfasst, wobei ein Heizelement (51) zur Beheizung des Messbereichs (11) des Sensorelements (10) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (101) in einem Übergangsbereich (13) zwischen dem Messbereich (11) und dem Zuleitungsbereich (12) eine Verengung (60) aufweist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (101) im Bereich der Verengung (60) eine geringere Querschnittsfläche aufweist als in dem der Verengung (60) benachbarten Bereich der Leiterbahn (101).
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verengung (60) die Wärmeleitung entlang der Leiterbahn (101) vom Messbereich (11) in den Zuleitungsbereich (12) vermindert ist.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Leiterbahn (101) im Bereich der Verengung (60) höchstens 70 Prozent, insbesondere höchstens 50 Prozent, der Querschnittsfläche der Leiterbahn (101) in einem der Verengung (60) benachbarten Bereich der Leiterbahn (101) beträgt, wobei die Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zu dem sich bei einer Beheizung des Messbereichs (11) in der Leiterbahn (101) ausbildenden Wärmegradienten liegt.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verengung (60) das Verhältnis A/b < 0,1 mm, vorzugsweise A/b < 0,02 mm, erfüllt ist, wobei A die Querschnittsfläche der Leiterbahn (101) in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements (10) bezeichnet, und wobei b die Breite der Leiterbahn (101), also die Ausdehnung der Leiterbahn (101) in dieser Ebene in einer Richtung parallel zur Großfläche des Sensorelements (10), bezeichnet.
6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (60) der Leiterbahn (101) mindestens eine Aussparung (61, 62) umfasst.
7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (62) scrditzfδrmig ist und eine längere und eine kürzere Seite aufweist, wobei die längere Seite der Aussparung (62) ungefähr senkrecht zur Längserstreckung der Leiterbahn (101) und/oder ungefähr senkrecht zu dem sich aufgrund der Beheizung des Messbereichs (11) in der Leiterbahn (101) ausbildenden Wärmegradienten angeordnet ist.
8. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Leiterbahn (101) mehrere Aussparungen (61) aufweist, und dSss die Leiterbahn (101) im Bereich der Aussparungen (61) eine netzartige Struktur aufweist
9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (61) bezüglich der Längsachse der Leiterbahn (101) zueinander versetzt angeordnet sind.
10. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verengung (60) das Verhältnis b/c < 0,8, vorzugsweise b/c < 0,5, beträgt, wobei b die Breite der Leiterbahn (101), also die Ausdehnung der Leiterbahn (101) in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Leiterbahn (101) und parallel zur Großfläche des Sensorelements (10) bezeichnet, und wobei c die Summe der Breiten der einzelnen durch Aussparungen (61, 62) getrennten Leiterbahnabschnitte (105) bezeichnet.
11. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (60) als Einschnürung (63) ausgebildet ist, wobei die Breite der Leiterbahn (101) im Bereich der Einschnürung (63) geringer ist als in den der Einschnürung (63) benachbarten Bereichen der Leiterbahn (101).
12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bieite der Leiterbahn (101) im Bereich der Einschnürung (63) höchstens 70 Prozent, insbesondere höchstens 50 Prozent, der Breite der Leiterbahn (101) in einem an die Einschnürung (63) angrenzenden Bereich der Leiterbahn (101) beträgt.
13. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (101) in einer Schichtebene zwischen einer ersten Festelektrolytfolie (21) und einer zweiten Festelektrolytfohe (22) angeordnet ist.
14. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Leiterbahn (101), also die Ausdehnung der Leiterbahn (101) in der Richtung senkrecht zur Großfläche des Sensorelements (10), im Bereich von 4 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 μm, liegt.
15. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) eine eϊste elektrochemische Zelle aufweist, die eine erste Elektrode (31a), eine zweite Elektrode (32a) und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31a, 32a) angeordnete Festelektrolytfolie (21) umfasst, wobei die erste Elektrode (31a) auf einer Außenfläche des Sensorelements (10) aufgebracht ist, und wobei die zweite Elektrode (32a) in einem innerhalb des Sensorelements (10) angeordneten Messgasraum (41) vorgesehen ist, der über eine Gaszutrittsöffiiung (43) und eine Diffiisionsbarriere (42) mit dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Messgas verbunden ist, und dass das Sensorelement (10) eine zweite elektrochemische Zelle aufweist, die die zweite Elektrode (32a) und/oder eine dritte Elektrode (33a) sowie eine vierte Elektrode (34a) umfasst, wobei die zweite und/oder dritte Elektrode (32a, 33a) durch einen Festelektrolyten (21, 22) elektrisch verbunden sind, wobei die dritte Elektrode (33a) innerhalb des Messgasraums (41) angeordnet ist, wobei die vierte Elektrode (34a) einem Referenzgas ausgesetzt ist, und wobei die eine Verengung (60) aufweisende Leiterbahn (101) die zweite und/oder die dritte Elektrode (32a, 33a) und die dritte Zuleitung (33b) umfasst.
16. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der die Verengung (60) enthaltende Bereich der Leiterbahn (101) zwischen der vierten Elektrode (34a) und dem Heizelement (51) angeordnet ist, so dass die vierte Elektrode (34a) durch den die Verengung (60) enthaltenden Bereich der Leiterbahn (101) von dem Heizelement (51) elektrisch isoliert und/oder elektrisch abgeschirmt ist.
17. Sensorelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (60) als mindestens eine Aussparung (61 , 62) ausgebildet ist.
18. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn im Bereich der Verengung (60) einen Streifen (92) aufweist, der entlang der Projektion der Kontur der vierten Elektrode (34a) auf die Schichtebene der dritten Elektrode (33a) verläuft.
19. Sensorelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Streifens (92) mindestens 0,5 mm beträgt.
20. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (lθl) einen gasdiffiisionshemmenden Abschnitt (71) enthält, durch den der Gasaustausch zwischen der Elektrode (101a) und der Zuleitung (101b) der Leiterbahn (101) verhindert oder zumindest verlangsamt wird.
21. Sensorelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil des diffiisionshemmenden Abschnittes (71) geringer ist als der Porenanteil der Elektrode (101a).
22. Sensorelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil des diffiisionshemmenden Abschnittes (71) im Bereich von 1 bis 10 Volumenprozent, vorzugsweise bei 3 bis 7 Volumenprozent, und dass der Porenanteil der Elektrode (101a) im Bereich von 10 bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise bei 20 bis 30 Volumenprozent liegt
23. Sensorelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (101) einen metallischen Anteil und einen keramischen Anteil aufweist, und dass der keramische Anteil des diffiisionshemmenden Abschnitts (71) der Leiterbahn (101) geringer ist als der keramische Anteil der Elektrode (101a) der Leiterbahn (101), wobei insbesondere der keramische Anteil des diffiisionshemmenden Abschnitts (71) im Bereich von 10 bis 40 Volumenprozent, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 30 Volumenprozent, und der keramische Anteil der Elektrode (101a) im Bereich von 15 bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 40 Volumenprozent, liegt.
24. Sensorelement einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (101a) eine offene Porosität und der diffiisionshemmenden Abschnitt (71) eine geschlossene Porosität aufweist.
25. Sensorelement (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe- sondere zum Nachweis einer Gaskomponente in einem Messgas, vorzugsweise zum Bestimmung der Sauerstofϊkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einer auf einem Festelektrolyten (21, 22) aufgebrachten Leiterbahn (101), die eine in einem Messbereich (11) des Sensorelements (10) vorgesehene Elektrode (101a) und eine zur Elektrode (101a) führende, in einem Zuleitungsbereich (12) des Sensorele- ments (10) angeordnete Elektrodenzuleitung (101b) umfasst, wobei ein Heizelement (51) zur Beheizung des Messbereichs (11) des Sensorelement_rs(10) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (101a) einen ersten Elektrodenabschnitt (81) und einen zweiten Elektrodenabschnitt (82) umfasst, wobei der erste Elektrodenabschnitt (81) in einem Übergangsbereich (13) zwischen dem Messbereich (11) und dem Zuleitungsbereich (12) mit der Elektrodenzuleitung (101b) verbunden ist, und wobei der erste und der zweite Elekttodenabschnitt (81, 82) nur auf ihren dem Zuleitungsbereich (12) abgewandten Seiten miteinander elektrisch verbunden (85) sind.
26. Sensorelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Elektroden- abschnitt (82) wie ein Kreisring geformt ist und auf seiner dem Zuleitungsbereich (12) zugewandten Seite eine Aussparung (83) aufweist, in der der erste Elektrodenabschnitt (81) angeordnet ist.
7. Sensorelement nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die den ersten und den zweiten Elektrodenabschnitt (81, 82) aufweisende Elektrode (101a) die erste Elektrode (31a) ist
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