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DE2738882A1 - Oxygen concentration measurement sensor - has solid electrolyte, internal reference electrode and external signal forming electrode with inorganic porous layer - Google Patents

Oxygen concentration measurement sensor - has solid electrolyte, internal reference electrode and external signal forming electrode with inorganic porous layer

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Publication number
DE2738882A1
DE2738882A1 DE19772738882 DE2738882A DE2738882A1 DE 2738882 A1 DE2738882 A1 DE 2738882A1 DE 19772738882 DE19772738882 DE 19772738882 DE 2738882 A DE2738882 A DE 2738882A DE 2738882 A1 DE2738882 A1 DE 2738882A1
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DE
Germany
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electrode
output voltage
solid electrolyte
oxygen sensor
voltage generating
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DE19772738882
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German (de)
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DE2738882B2 (en
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Shinichi Matsumoto
Yasuhiro Otsuka
Kiyoshi Uchida
Hiroshi Wakisaka
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Publication of DE2738882B2 publication Critical patent/DE2738882B2/en
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Abstract

The sensor has solid electrolyte in the form of a cylinder with a closed end made of a material permeable for oxygen ions, a reference electrode on the solid electrolyte inner surface, and a further electrode on the gas measurement surface of the electrolyte. It delivers an output signal. The electrode on the electrolyte (2a) gas measurement surface includes an output signal generating electrode (2b) produced by plating at least the closed end of the electrolyte. There is also an electrode (2c) collecting the output voltage, produced by a metal paste on a suitable point of the electrolyte (2a) outer surface and connected to the electrode (2b). There is further an electrode reinforcing device (2d), at least on the outer side of the electrode (2b). An inorganic porous layer (2c) is produced on the outer surface of the electrode reinforcement (2d).

Description

Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffmeßfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zu dessen Hastellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Description The present invention relates to an oxygen sensor according to the preamble of claim 1 and to a method for its rapid deployment according to the preamble of claim 11.

Derartige Sauerstoffmeßfühler werden für Systeme verwendet, die die drei schädlichen Bestandteile bei kraftfahrtechnischen Emissionen durch Reaktion mit einem Katalysator gleichzeitig beseitigen können, d.h., die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (im weiteren als "unverbrannte HC" bezeichnet), Kohlenmonoxide (CO) und Stickoxide (NOx). Diese Systeme werden im weiteren als Dreiwegesystem (three-way system) bezeichnet.Such oxygen sensors are used for systems that the three harmful components in automotive emissions by reaction with a catalytic converter can eliminate the unburned hydrocarbons at the same time (hereinafter referred to as "unburned HC"), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx). These systems are referred to below as a three-way system.

Luftverschmutzung ist kein neues Problem mehr. Untersuchungen haben hinsichtlich der ökologischen Wirkungen von unverbranntem HC, CO und NOx Fortschritte erzielt und die Schädlichkeit dieser Bestandteile der kraftfahrtechnischen Emissionen wurde erhst.Air pollution is no longer a new problem. Have investigations Advances in the ecological effects of unburned HC, CO and NOx and the harmfulness of these components of automotive emissions was raised.

Um diese unschädlich zu machen, wurden verschiedene Maßnahmen entwickelt und versucht, wie Entgiftungs- bzw. Reinigungssysteme mit einem oxydierenden Katalysator, einem reduzierenden Katalysator oder einer Kombination dieser beiden, und das Dreiwegesystem, das das unverbrannte HC, CO und NOx durch Reaktion mit einem speziellen Katalysator unter besonderen Bedingungen gleichzeitig beseitigen kann. Insbesondere das Dreiwegesystem ist ein ausgezeichnetes Entgiftungssystem, das eine hohe Reinigungsfähigkeit im Bereich theoretischer Luft/Brennstoff-Verhältnisse zeigt; jedoch macht es die Anwendung dieses Dreiwegesystems erforderlich, daß ein Sauerstoffmeßfühler im Abgassystem vorgesehen ist, so daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas gemessen bzw. bestimmt und zur Steuerung des Brennstoff-Einspritzvolumens rückgekoppelt werden kann.Various measures have been developed to render them harmless and tries how detoxification or cleaning systems with an oxidizing catalyst, a reducing catalyst or a combination of these two, and the three-way system, that the unburned HC, CO and NOx through reaction with a special catalyst can eliminate at the same time under special conditions. In particular the three-way system is an excellent detoxification system that has a high cleaning ability in the Shows range of theoretical air / fuel ratios; however, it makes the application this three-way system requires an oxygen sensor in the exhaust system is provided so that the oxygen concentration in the exhaust gas is measured or determined and can be fed back to control the fuel injection volume.

Der Sauerstoffmeßfühler, in welchem eine Sauerstoffkonzentrationszelle aus einem festen Elektrolyten eines eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzenden besonderen Keramikmaterials hergestellt ist, dient dazu, die Sauerstoffkonzentration in einem zu messenden Gas dadurch zu bestimmen, daß die elektromotorische Kraft gemessen wird, die sich aufgrund der Differenz zwischen dem Sauerstoffteildruck des zu messenden Gases und dem Bezugsgas, beispielsweise in der Atmosphäre, aufbaut. Bei einem herkömmlichen Sauerstoffmeßfühler werden Platin oder andere Metalle an beiden Seiten des festen Elektrolyten durch verschiedene Verfahren aufgetragen, beispielsweise durch chemisches Plattieren, Dampfablagerung im Vakuum, Metallisieren oder durch Metallpastieren, dem eine Wärmebehandlung folgt, wodurch die Metallelektroden gebildet werden.The oxygen sensor, in which an oxygen concentration cell from a solid electrolyte of one having an oxygen ion conductivity Special ceramic material is made, is used to reduce the oxygen concentration to be determined in a gas to be measured that the electromotive force is measured, which is due to the difference between the oxygen partial pressure of the gas to be measured and the reference gas, for example in the atmosphere. In a conventional oxygen sensor, platinum or other metals will turn on both sides of the solid electrolyte applied by different methods, for example by chemical plating, vapor deposition in vacuum, metallizing or by metal pasting followed by a heat treatment, thereby forming the metal electrodes are formed.

Die auf diese Weise gebildeten Elektroden besitzen jedoch folgende Nachteile. Im Palle einer chemisch plattierten Elektrode sind zwar die elektrischen Leistungsfähigkeit, wie die Höhe der erzeugten elektromotorischen Kraft, die große bzw. steile SpannCSänderung nahe dem theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnis, die Belastungscharakteristik und der Innenwiderstand des Meßfühlers gut, jedoch treten wegen der geringen Verbindungsfähigkeit des festen Elektrolyten mit dem Metall und einer großen Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten im heißen Abgas Schwierigkeiten auf, wie bdspielsweise Loslösen der Elektrode vom festen Elektrolyten, Ausbrennen, Abreißen der Zugleitung oder physikalisches und chemisches 8treuen. Bei einer durch Dampf abgelagerten oder metallisierten Elektrode kann zwar das Anbrennen oder Reißen der Elektrode wirksam verhindert werden, jedoch sind die verschiedenen obengenannten elektrischen Leistungsfähigkeiten gering. Ferner ist bei einer Elektrode aus pastiertem und gesintertem Platin zwar die Bindefähigkeit der Elektrode mit dem festen Elektrolyten gut und es können Schwierigkeiten, wie das Loslösen, Anbrennen und Reißen der Elektrode wirksam verhindert werden, Jedoch sind die verschiedenen elektrischen Leistungsfähigkeiten sehr gering. Beispiels weise ist die Fläche zwischen den Metallteilchen oder dem Metall, aus dem die Elektrode hergestellt ist, und dem festen Elektrolyten mit einer glasigen Substanz (Fluß- oder Schmelzmittel) überzogen, das in der Metallpaste enthalten ist und das Schwierigkeiten verursacht, wie beispielsweise ein Anwachsen des Innenwiderstandes des Meßfühlers, eine Verschlechterung der Belastungscharakteristik und ein Abfall in der Größe der Ausgangsspannungsänderung mit der Sauerstoffkonzentration im zu messenden Gas.However, the electrodes thus formed have the following Disadvantage. In the case of a chemically plated electrode are the electrical ones Efficiency, such as the amount of electromotive force generated, the great or steep span change close to the theoretical air / fuel ratio, which Load characteristics and the internal resistance of the sensor are good, but occur because of the poor connectivity of the solid electrolyte with the metal and a large difference in the coefficient of thermal expansion in the hot exhaust gas Difficulties such as loosening the electrode from the solid electrolyte, Burning out, tearing off the trainline or physical and chemical fidelity. In the case of an electrode deposited by vapor or metallized, the scorching can occur or cracking of the electrode can be effectively prevented, however, they are different Above mentioned electrical capabilities are low. In addition, there is an electrode the end pasted and sintered platinum, although the binding capacity of the Electrode with the solid electrolyte well and there may be trouble like that Loosening, burning and cracking of the electrode can be effectively prevented, however the various electrical capacities are very low. For example is the area between the metal particles or the metal that makes up the electrode is made, and the solid electrolyte with a glassy substance (flux or flux) contained in the metal paste and that troubles causes, such as an increase in the internal resistance of the sensor, a deterioration in the load characteristic and a decrease in the size of the Output voltage change with the oxygen concentration in the gas to be measured.

Deshalb muß bei einem herkömmlichen Sauerstoffmeßfühler, bei welchem eine steile Änderung der elektromotorischen Kraft um das theoretische Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht stattfindet und bei dem eine Erhöhung des Innenwiderstandes einen Abfall in der zu messenden elektromotorischen Kraft verursacht, der Eingangswiderstand auf der Schaltkreisseite, die der Ausgangsspannung des Meßfühlers ausgesetzt ist, erhöht werden, um die wahre elektromotorische Kraft zu messen, Jedoch kann dieser im Hinblick auf die Isolierfähigkeit oder Sicherheit nicht so erhöht werden, wie er sollte, was eine schlechte Funktion des Sauerstoffmeßfühlers zur Folge hat.Therefore, in a conventional oxygen sensor, in which a steep change in electromotive force around the theoretical air / fuel ratio does not take place and in which an increase in the internal resistance results in a drop in the electromotive force to be measured causes the input resistance the side of the circuit exposed to the output voltage of the probe is increased to measure the true electromotive force, however this can be in terms of the insulation ability or safety are not increased as it should, resulting in poor functioning of the oxygen sensor.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sauerstoffmeßfühler der eingangs genannten Art zu schaffen, der die obengenannten Nachteile vermeidet, der also insbesondere eine lange Lebensdauer bei verbesserter Zuverlässigkeit besitzt, die in geringerem Maße der Elektrodenverschlechterung unterliegt, der frei von Elektrodenablösung ist, der eine bemerkenswerte Meßleistungsfähigkeit bei einem steilen Anstieg der elektromotorischen Kraft nahe dem theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnis besitzt und der eine erheblich höhere elektromotorische Kraft erzeugen kann. Eine weitere Aufgabe ist das einfache Herstellen eines derartigen Sauerstoffmeßfühlers.It is an object of the present invention to provide an oxygen sensor of the type mentioned above, which avoids the disadvantages mentioned above, which in particular has a long service life with improved reliability, in the is less subject to electrode deterioration, which is free from electrode peeling, which has remarkable measuring performance with a steep increase in electromotive force close to the theoretical air / fuel ratio and which can generate a considerably higher electromotive force. One Another object is to easily manufacture such an oxygen sensor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Sauerstoffmeßfühlers durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen eines derartigen Sauerstoffmeßfühlers durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 11 gelöst.According to the invention, this object is achieved with regard to the oxygen sensor by the features in the characterizing part of claim 1 and with regard to the method for producing such an oxygen sensor by the features in the label of claim 11 solved.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführutpbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen: Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den Grundaufbau eines Sauerstoffmeßfühlers gemäß einer Ausführungsform vorliegender Erfindung, Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Zelle des Sauerstoffmeßfühlers nach Fig. 1, Fig. 3 bis 9 Vorderansichten verschiedener Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung bei unterschiedlichem Aufbau der die Ausgangsapannung erzeugenden Elektrode, der die Ausgangsspannung aufnehmenden Elektrode und der auf der Außenfläche des festen Elektrolyten gebildeten Elektrodenverstifung, Fig. 10 ein die Luftüberschußrate und die elektromotorische Eraft des erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühlers darstellendes Diagramm, Fig. 11 eine den Laststrom und die elektromotorische Kraft des erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühlers darstellendes Diagramm, Fig. 12 ein die Dicke der Metallelektrode und die Lebensdauer bzw. die Reaktionszeit des erfindugemäßen Sauerstoffmeßfühlers darstellendes Diagramm und Fig. 13 ein die Dicke der porösen Schicht und die Lebensdauer bzw. die Reaktionszeit des erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühlers darstellendes Diagramm.Further details and embodiments of the invention are as follows Refer to the description in which the invention is based on the illustrated in the drawing Exemplary embodiments are described and explained in more detail. They show: FIG. 1 a axial section through the basic structure of an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an enlarged partial section through the cell of the Oxygen sensor according to Fig. 1, Fig. 3 to 9 front views of various embodiments of the present invention with different structures of the output voltage generating Electrode, the electrode receiving the output voltage and the one on the outer surface the electrode stiffening formed by the solid electrolyte, Fig. 10 the excess air rate and the electromotive force of the invention Oxygen sensor showing diagram, Fig. 11 a load current and the electromotive force of the oxygen sensor according to the invention Diagram, Fig. 12 shows the thickness of the metal electrode and the service life or the Reaction time of the inventive oxygen sensor representing diagram and 13 shows the thickness of the porous layer and the life or the reaction time of the oxygen sensor according to the invention representing diagram.

Der Grundaufbau des Sauerstoffmeßfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung urd anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben.The basic structure of the oxygen sensor according to an embodiment The present invention is described with reference to FIGS. 1 and 2.

Gemäß Fig. 1, die den Aufbau eines vollständigen Sauerstoffmeßfühlers gemäß vorliegender Erfindung zeigt, hält ein Halter 1 eine Meßfühlerzelle 2, die über eine Feder 4 und eine Abnahmespitze 3 für die Ausgangsspannung am Halter 1 befestigt und fixiert ist. Die Zelle 2 besteht aus einem Zylinder, dessen eines Ende geschlossen ist und bei dem die Außenfläche nahe dem geschlossenen Ende mit dem Abgas in Berührung ist, wenn der Meßfühler an einem Fahrzeug befestigt ist, und bei dem die Innenfläche mit der Atmosphäre in Verbindung teht. Die Außenseite derZelle 2, die mit dem Abgas in Verbindung steht, ist mit einer Schutzabdeckung 5 versehen, die aus einem porösen bzw.Referring to Fig. 1, showing the structure of a complete oxygen sensor According to the present invention, a holder 1 holds a sensor cell 2 which Via a spring 4 and a take-off tip 3 for the output voltage on the holder 1 attached and fixed. The cell 2 consists of a cylinder, one of which End is closed and in which the outer surface is close to the closed end with is in contact with the exhaust gas when the sensor is attached to a vehicle, and in which the inner surface is in contact with the atmosphere. The outside the cell 2, which is in communication with the exhaust gas, is covered with a protective cover 5 provided, which consists of a porous or

löchrigen Gefäß besteht, dessen eines Ende am Halter 1 befestigt ist. Am dem Halterende mit der Schutzabdeckung 5 abgewandten Ende ist ein elektrischer Isolator 6 angeordnet, der eine Ausgangsklemme 7 trägt, deren eines Ende die Feder 4 gedrückt hält und durch die Feder 4 und die Abnahmespitze 3 zur an der Innenfläche der Zelle 2 gebildeten Bezugsgaselektrode elektrisch hindurchführt, wodurch eine Klemme des Sauerstoffmeßfühlers gebildet ist. Die andere Klemme des Sauerstoffmeßfühlers besteht aus dem Halter 1 und führt mittels eines Graphitplättchens 8, das zwischen der Zelle 2 und dem Halter 1 gelegt ist, zur die Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode, die an der Außenfläche der Zelle 2 gebildet ist.holey vessel, one end of which is attached to the holder 1 is. At the end facing away from the holder end with the protective cover 5 is an electrical end Arranged insulator 6, which carries an output terminal 7, one end of which is the spring 4 keeps pressed and by the spring 4 and the removal tip 3 to the inner surface the cell 2 formed reference gas electrode electrically passes, whereby a Terminal of the oxygen sensor is formed. The other terminal of the oxygen probe consists of the holder 1 and leads by means of a graphite plate 8, which is between the cell 2 and the holder 1 is placed, to the electrode decreasing the output voltage, which is formed on the outer surface of the cell 2.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch die Struktur der Meßfühlerzelle 2 im Bereich ihres geschlossenen Endes. Hier bezeichnet die Bezugsziffer 2a einen festen Elektrolyten, der in einem einseitig geschlossenen Zylinder gebildet ist. Der feste Elektrolyt 2a kann aus Jedem Material hergestellt sein, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, beispielsweise aus ZrO2-CaO.Fig. 2 is an enlarged section through the structure of the sensor cell 2 in the area of its closed end. Here, reference numeral 2a denotes one solid electrolyte, which is formed in a cylinder closed on one side. The solid electrolyte 2a can be made of any material having oxygen ion conductivity possesses, for example from ZrO2-CaO.

Statt ZrO2 kann auch HfO2, U02, TiO2 oder CeO2 und statt CaO kann auch MgO, r2o3, Sec203 oder Nd203 verwendet werden.Instead of ZrO2, HfO2, U02, TiO2 or CeO2 and instead of CaO can also be used MgO, r2o3, Sec203 or Nd203 can also be used.

Ein geeigneter Teil der Außenfläche im Bereich des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten 2a ist chemisch plattiert, so daß eine Metallschicht 2b, die die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode bildet, besteht. Diese Elektrode 2b kann in geeigneter Weise aus Platin hergestellt sein. An einem geeigneten Teil der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a ist die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c dadurch gebildet, daß eine Metallpaste aufgebracht und gesintert wird. Die Elektrode 2c ist mit der die Ausgangs spannung erzeugenden Elektrode 2b elektrisch verbunden. Die Ausgangsspannung, die durch die Elektrode 2b erzeugt wird, wird über das Graphitplättchen 8 an den Halter 1 übertragen. Platin, Gold und Palladium können einzeln oder als Mischung für'die Metallpaste verwendet werden.A suitable part of the outer surface in the area of the closed end of the solid electrolyte 2a is chemically plated so that a metal layer 2b, which forms the electrode generating the output voltage. This electrode 2b may suitably be made of platinum. On a suitable part of the outer surface of the solid electrolyte 2a is the decreasing output voltage Electrode 2c formed by applying a metal paste and sintering it. The electrode 2c is electrical with the output voltage generating electrode 2b tied together. The output voltage generated by the electrode 2b becomes over the graphite plate 8 transferred to the holder 1. Can platinum, gold and palladium individually or used as a mixture for the metal paste.

Zumindest an der Außenfläche der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode 2b ist eine Schicht 2d zur Elektrodenversteifung gebildet. Platin ist ein geeignetes Material für die Elektrodenversteifungsschicht 2d. Die Elektrodenversteifung 2d ist zusätzlich mit einer porösen Schicht 2e aus einer anorganischen Substanz überzogen. Diese anorganische Substanz kann beispielsweise stabilisierendes ZrO2, Al203 oder MgA1204 sein. Der geeignete Bereich der zusammengesetzten Dicke der Elektroden 2b und 2d ist 0,5 bis 20 #, der der Dicke der porösen Schiciit 2e etwa 5 P bis 250 r. Auf der Innenfläche des Elektrolyten 2a ist die Bezugsgaselektrode 2f gebildet, die über die Abnahmespitze 3 und die Feder 4 mit der Ausgangsklemme 7 verbunden ist. Dieser genannte Grundaufbau wird in weiteren 'Einzelheiten unter Bezugnahme auf die folgenden besonderen Ausführungsbeispiele beschrieben.At least on the outer surface of the one that generates the output voltage Electrode 2b, a layer 2d for electrode stiffening is formed. Is platinum a suitable material for the electrode stiffening layer 2d. The electrode stiffener 2d is additionally provided with a porous layer 2e made of an inorganic substance overdrawn. This inorganic substance can, for example, stabilize ZrO2, Al203 or MgA1204. The appropriate range of composite thickness of the electrodes 2b and 2d is 0.5 to 20 #, that of the thickness of the porous layer 2e is about 5P to 250 r. The reference gas electrode 2f is formed on the inner surface of the electrolyte 2a, which are connected to the output terminal 7 via the removal tip 3 and the spring 4 is. This cited basic structure is referred to in more detail described on the following particular embodiments.

Beim ersten in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich bei dem ewähnten Grundaufbau die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b über die gesamte Fläche des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten 2a; die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c ist in der Weise gebildet, daß sie nahezu den gesamten Teil des festen Elektrolyten 2a bedeckt, ausgenommen den Bereich der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode 2b; und die Elektrodenversteifung 2d erstreckt sich über die gesamte Außenfläche beider Elektroden 2b und 2c. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie oben beschrieben.In the first embodiment shown in Fig. 3 extends In the above-mentioned basic structure, the electrode generating the output voltage is located 2b over the entire area of the closed end of the solid electrolyte 2a; the the output voltage decreasing electrode 2c is formed so that it covers almost the entire part of the solid electrolyte 2a except for the area the output voltage generating electrode 2b; and the electrode stiffener 2d extends over the entire outer surface of both electrodes 2b and 2c. Otherwise the structure is the same as described above.

Beim zweiten in Fig. 4 dargestellten Ausführungabeispiel erstreckt sich die die Ausgangs spannung erzeugende Elektrode 2b über die gesamte Oberfläche des geschlossenen Endes des Elektrolyten 2a; die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c deckt nahezu den gesamten Teil des festen Elektrolyten 2a außer de Bereich der Elektrode 2b ab; und die Elektrodenversteifung 2d ist nur an der Außenfläche der Elektrode 2b gebildet. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie oben beschrieben.In the second embodiment shown in Fig. 4 extends the output voltage generating electrode 2b over the entire surface the closed end of the electrolyte 2a; the output voltage decreasing Electrode 2c covers almost all of the solid electrolyte part 2a apart from the area of the electrode 2b; and the electrode stiffener 2d is only formed on the outer surface of the electrode 2b. Otherwise the structure is the same as described above.

Beim in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl von die Ausgangsapannung abnehnenden Elektroden 2c an der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a in längsgerichteten Streifen gebildet, die die Spitze erreichen; die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b ist ii vorderen Bereich des festen Elektrolyten 2a gebildet, der einige der Elektroden 2c enthält; und die Elektrodenversteifung 2d ist nur an der Außenfläche der Elektrode 2b gebildet. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie oben beschrieben.In the third embodiment shown in Fig. 5 is a A plurality of the output voltage decreasing electrodes 2c on the outer surface of the solid electrolyte 2a formed in longitudinal strips reaching the tip; the output voltage generating electrode 2b is ii the front area of the fixed Electrolyte 2a containing some of the electrodes 2c is formed; and the electrode stiffener 2d is formed only on the outer surface of the electrode 2b. Otherwise the structure is the same as described above.

Beil in Fig. 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die die Ausgangstpannung erzeugende Elektrode 2b Über das gesandte geschlossene Runde des festen Elektrolyten 2a; die die Ausgangsspannung abnehienden Elektroden 2c sind derart gebildet, daß sie an die Elektrode 2b an der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a in Fori von fangs- und Längsstreifen angrenzen; und die Elektrodenversteifung 2d ist nur an der Außenfläche der Elektrode 2b gebildet. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie der oben beschriebene Grundaufbau.The fourth embodiment shown in FIG. 6 extends the electrode 2b generating the output voltage over the sent closed Solid electrolyte round 2a; the electrodes that decrease the output voltage 2c are formed in such a way that they adhere to the electrode 2b on the outer surface of the fixed Adjacent electrolyte 2a in the form of catch and longitudinal strips; and the electrode stiffener 2d is formed only on the outer surface of the electrode 2b. Otherwise the structure is the same as the basic structure described above.

Bein in Fig. 7 dargestellten sanften Ausführungsbeispiel ist die die 1usgangsapannng abnehmende Elektrode 2c als Gitterband an der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a gebildet; die die Ausgangsspannung erzeugende Elittrode 2b ist derart gebildet, deß sie die Außenfläche des festen EleEtrolyten 2a außer dem Sorderbereich der Elektrode 2c überdeckt; und die Elektrodenversteifung 2d ist nur an der Außenfläche der Elektrode 2t gebildet. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie der oben beschriebene Grundaufbau.The gentle embodiment shown in FIG. 7 is the 1usgangsapannng decreasing electrode 2c as a grid band on the outer surface of the fixed Electrolyte 2a formed; the Elittrode 2b generating the output voltage is of this type formed, deß the outer surface of the solid electrolyte 2a other than the Soder area the electrode 2c covered; and the electrode stiffener 2d is only on the outer surface of the electrode 2t. Otherwise the structure is the same as that described above Basic structure.

Beim in Fig. 8 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel ist die die Ausgangs spannung abnehmende Elektrode 2c als Gitterband auf der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a gebildet; die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b ist derart ausgebildet, daß sie die Außenfläche des festen Elektrolyten 2a einsilieB-lich des Vorderbereichs der Elektrode 2c abdeckt; und die Elektrodenversteifung 2d ist nur an der Außenfläche der Elektrode 2b gebildet. Im übrigen ist der Aufbau derselbe wie der oben beschriebene Grundaufbau.In the sixth embodiment shown in Fig. 8 is the the output voltage decreasing electrode 2c as a grid band on the outer surface the solid electrolyte 2a is formed; the electrode generating the output voltage 2b is formed in such a way that it adheres to the outer surface of the solid electrolyte 2a covers the front portion of the electrode 2c; and the electrode stiffener is 2d formed only on the outer surface of the electrode 2b. Otherwise the structure is the same like the basic structure described above.

Beim in Fig. 9 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel ist die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c als Gitterband auf der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a gebildet; die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b deckt die Außenfläche des festen Elektrolyten 2a einschließlich des Vorderbereichs der Elektrode 2c ab; und die Elektrodenversteifung 2d deckt die Außenflächen beider Elektroden 2b und 2c ab. Im übrigen ist der Aufbau derselbe wie der oben beschriebene Grundaufbau.In the seventh embodiment shown in Fig. 9 is the Output voltage decreasing electrode 2c as a grid band on the outer surface of the solid electrolyte 2a is formed; the output voltage generating electrode 2b covers the outer surface of the solid electrolyte 2a including the front portion the electrode 2c; and the electrode stiffener 2d covers the outer surfaces of both Electrodes 2b and 2c. Otherwise, the structure is the same as that described above Basic structure.

Im folgenden sei das Verfahren zum Herstellen eines Sauerstoffmeßfühlers gemäß vorliegender Erfindung beschrieben. Zuerst wird der feste Elektrolyt 2a wie in den obigen Beispielen beschrieben hergestellt. Die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c an der Außenfläche des festen Elektrolyten 2a (außer dem Teil im Bereich des geschlossenen Endes) ist aus Gold-, Platin, Palladium- oder Rhodium-Paste hergestellt, die aufgetragen und dann wärmebehandelt bzw. gesintert wird. Die die Ausgangs spannung erzeugende Elektrode 2b im Bereich des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten 2a erhält man durch chemisches Plattieren durch Eintauchen in eine nicht-elektrolytische Plattierlösung, die Platin enthält. Die Elektrodenversteifung 2d an den Außenflächen der Elektroden 2b und 2c erhält man durch Elektroplattieren, Dampfablagerung unter Vakuum, Ionenplattieren oder Metallisieren. Die poröse Schicht 2e an der Außenfläche der Elektrodenversteifung 2d erhält man durch Plasmametallisieren des genannten Al203-Pulvers usw. Die Bezugsgaselektrode 2f auf der Innenfläche des festen Elektrolyten 2a erhält man durch chemisches Plattieren oder durch Auftragen und Wärmebehandeln der Metallpaste. Die auf diese Weise hergestellte Meßfühler zelle 2 ist im Halter 1, der eine besondere Form besitzt, so gehalten, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b und der Halter 1 miteinander elektrisch zusammenhängend sind.The following is the method of making an oxygen sensor described in accordance with the present invention. First, the solid electrolyte 2a is like described in the examples above. The output voltage decreasing Electrode 2c on the outer surface of the solid electrolyte 2a (except for the part in the area the closed end) is made of gold, platinum, palladium or rhodium paste, which is applied and then heat-treated or sintered. Which is the output voltage generating electrode 2b in the area of the closed end of the solid electrolyte 2a is obtained by chemical plating by immersion in a non-electrolytic one Plating solution containing platinum. The electrode reinforcement 2d on the outer surfaces the Electrodes 2b and 2c are obtained by electroplating, vapor deposition under vacuum, Ion plating or metallizing. The porous layer 2e on the outer surface of the Electrode stiffening 2d is obtained by plasma metallizing the mentioned Al 2 O 3 powder etc. The reference gas electrode 2f is maintained on the inner surface of the solid electrolyte 2a by chemical plating or by applying and heat treating the metal paste. The probe cell 2 produced in this way is in the holder 1, which is a special Has shape held so that the output voltage generating electrode 2b and the holder 1 are electrically connected to each other.

Dann wird die Ausgangsklemme 7 so vorgesehen, daß die Bezugsgaselektrode 2f und die Ausgangsklemme 7 miteinander zusammenhängen , wodurch der Sauerstoffmeßfühler geschaffen ist.Then the output terminal 7 is provided so that the reference gas electrode 2f and the output terminal 7 are related to each other, whereby the oxygen sensor is created.

Es sei nun der Vorgang der Herstellung der Meßfühlerzelle anhand der speziellen Beispiele detaillier beschrieben.Let us now consider the process of making the sensor cell using specific examples are described in more detail.

Zunächst erhält man beim Beispiel des ersten Herstellungsverfahrens den festen Elektrolyten 2a durch Mischen von ZrO2 und X203 bei einem Verhältnis von 90 mol% und 10 mole, indem eine spezielle Reagensgüteklasse verwendet wird und die Mischung 48 Stunden lang bei 13000C in Luft in einem elektrischen Ofen gebrannt wird. Dann wird die Mischung etwa 1 0 Stunden lang in einer Kugelmühle vermischt; in einem Zerstäubungstrockner granuliert; dann in die Form eines Meßfühlers durch Gummidruck und Schleifen geformt; und schließlich 20 Stunden lang bei 18000C in einem Gasofen gebrannt, so daß sich eine gesinterte Masse ergibt. Wenn 0a0 oder MgO als Stabilisator verwendet wird, erhält man auch eine gesinterte Masse durch denselben oben beschriebenen Vorgang.First, the example of the first manufacturing method is obtained the solid electrolyte 2a by mixing ZrO2 and X203 at a ratio of 90 mol% and 10 moles by using a special grade of reagent and the mixture was fired in air in an electric oven at 13000C for 48 hours will. The mixture is then mixed in a ball mill for about 10 hours; granulated in a spray dryer; then in the form of a probe Rubber printing and loops molded; and finally for 20 hours at 18000C in fired in a gas furnace to give a sintered mass. If 0a0 or MgO is used as a stabilizer, one also obtains a sintered mass through same process described above.

Dann wird der feste Elektrolyt 2a, der eine gesinterte Masse aus 90 mole ZrO2 und 10 mol% Y203 darstellt, mit Aceton gut entfettet; durch 20-minütiges Eintauchen bei 400C in eine wässrige Lösung geätzt, die aus Chromtrioxid 50 g/l Schwefelsäure 100 ml/l und Fluorwasserstoffsäure 100 ml/l zusammengesetzt ist; vollständig mit Wasser abgewaschen, getrocknet; mit handelsüblicher Platinpaste bestrichen; und dann 20 Minuten lang bei 8000C mit Luft gebrannt, wodurch die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode 2c gebildet wird. Dann wird der feste Elektrolyt 2a mit der bereits gebildeten Elektrode 2c entfettet, mit Wasser gespült und für einige Sekunden bei Raumtemperatur in eine wässrige Lösung aus Chlorplatin (IV)-säure 5 g/l getaucht, woran sich ein 30-minütiges Trocknen bei 500C anschließt. Daraufhin wird der getrocknete feste Elektrolyt 2a einer Kernbildung durch Ausfällen (precipitation nucleation) durch 10-minütiges Eintauchen bei Raumtemperatur in eine Lösung aus Natriumboranat 3 g/l unterworfen. Nach der Kernbildung durch Ausfällen wird eine bestimmte Länge des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten 2a in eine nicht-elektrolytische Plattierlösung eingetaucht, die man durch Lösen von 0,25 g Chlorplatin (VI)-säure in 950 ml konzentriertem Amoniakwasser löst, dessen Volumen auf 1 1 durch Verdünnen mit reinem Wasser und Hinzufügen von 0,1 g Natriumboranat unmittelbar vor der Verwendung erhält.Then, the solid electrolyte 2a, which is a sintered mass of 90 represents moles of ZrO2 and 10 mol% of Y203, well degreased with acetone; through 20 minutes Immersion at 400C in an aqueous solution made of chromium trioxide 50 g / l Sulfuric acid is 100 ml / l and hydrofluoric acid is 100 ml / l; Completely washed off with water, dried; coated with commercially available platinum paste; and then fired with air at 8000C for 20 minutes, which increases the output voltage decreasing electrode 2c is formed. Then the solid electrolyte 2a with the already formed electrode 2c degreased, rinsed with water and left for a few seconds immersed in an aqueous solution of chloroplatinum (IV) acid 5 g / l at room temperature, This is followed by drying at 50 ° C. for 30 minutes. Thereupon the dried solid electrolyte 2a of a nucleation by precipitation (precipitation nucleation) by immersion in a solution of sodium boronate for 10 minutes at room temperature Subject to 3 g / l. After the nucleation by failure, a certain length of the closed end of the solid electrolyte 2a into a non-electrolytic one Plating solution immersed, which is obtained by dissolving 0.25 g of chloroplatinic acid Dissolve in 950 ml of concentrated ammonia water, reduce its volume to 1 1 by diluting with pure water and adding 0.1 g of sodium boranate immediately before use receives.

Nachdem dies in einem Bad 2 Stunden lang bei 250C belassen wurde, wird Platin an der Außenfläche des vorderen Teils des s festen Elektrolyten 2a einheitlich niedergeschlagen bzw. ausgefällt, wodurch die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode 2b erzeugt ist. Danach wird das Elektroplattieren 20 Minuten lang durchgeführt, indem eine handelsübliche Platin-Plattierlösung (Platin-Plattierlösung Nr. 765, hergestellt durch Japan Engelhald, Co.) mit einer Platin-Konzentration von 12 g/l, eine elektrische Stromdichte von 0,8 A/dm2 und eine Badtemperatur von 800C und ein pH-Wert von 12,5 angewendet wird. Dadurch wird ein 2 >i-Film der Platin-Plattierung, d.h. die Elektrodenversteifung 2d, gebildet. Daraufhin wird Aluminiumoixidpulver plasmametallisiert, was eine poröse Schicht 2e von etwa 100 p Dicke liefert. Die Plasma-Metallisierung wird mit einem Plasmalichtbogenstrom von SOO A, einer Lichtbogenspannung von 65 V durchgeführt, wobei die Strömungsraten der Gase gleich 100 SCFH (etwa 2,83 m3/h) für N2 und 15 SCFH (etwa 0,42 m3/h) für H2 die Strömungsrate für das Pulverzuführgas N2 gleich 37 SCPH (etwa 1,05 m3/h) und die Pulverzuführungsrate gleich 12,5 1b/h (etwa 2,5 kg/h) sind.After leaving this in a bath at 250C for 2 hours, platinum becomes uniform on the outer surface of the front part of the solid electrolyte 2a precipitated or precipitated, whereby the electrode generating the output voltage 2b is generated. After that, electroplating is carried out for 20 minutes, by using a commercially available platinum plating solution (platinum plating solution No. 765, manufactured by Japan Engelhald, Co.) with a platinum concentration of 12 g / l, an electrical current density of 0.8 A / dm2 and a bath temperature of 800C and a pH of 12.5 is applied. This creates a 2> i film of the platinum plating, i.e., the electrode stiffener 2d. It then becomes aluminum oxide powder plasma-metallized, which provides a porous layer 2e about 100 μm thick. the Plasma metallization is done with a plasma arc current of SOO A, an arc voltage of 65 V, the flow rates of the gases being equal to 100 SCFH (about 2.83 m3 / h) for N2 and 15 SCFH (about 0.42 m3 / h) for H2 is the flow rate for the powder feed gas N2 is 37 SCPH (about 1.05 m3 / h) and the powder feed rate is 12.5 1b / h (about 2.5 kg / h).

Beim obengenannten Vorgang kann die Reihenfolge der Hinwendung der Platinpase, der das nicht-elektrolytische Plattieren nach dem Ätzen, Waschen und Trocknen folgt, auch umgekehrt sein, ohne daß die Merkmale des Sauerstoffmeßfühlers nachteilig beeinflußt werden.In the above process, the order in which the Platinum phase, the non-electrolytic plating after etching, washing and Drying follows, also being reversed, without affecting the characteristics of the oxygen probe be adversely affected.

Ein Sauerstoffmeßfühler, der mit einer Meßfühlerzelle ausgerüste ist, die gemäß dem Verfahren nach dem ersten Beispiel hergestellt ist, wird im folgenden als Muster bzw. Probe A bezeichnet.An oxygen sensor equipped with a sensor cell, which is made according to the method of the first example is hereinafter referred to as sample or sample A.

Beim zweiten Beispiel wird die Elektrodenversteifung 2d des ersten Beispiels statt durch Elektroplattieren mit Platin, wie beim ersten Beispiel, durch Vakuumdampfablagerung gebildet, wobei die Bedingungen ftir die Vak'rumdampfablagerung in einem Druck von 1x10-4 Torr, einem Niederschlagsabstand von 150 mm und einer Niederschlagszeit von 15 Minuten bestehen. Einaif diese Weise erhaltener Sauerstoffmeßfühler wird im folgenden als Muster bzw.In the second example, the electrode stiffener 2d becomes the first For example, instead of electroplating with platinum as in the first example Vacuum vapor deposition formed, the conditions for vacuum vapor deposition at a pressure of 1x10-4 Torr, a precipitation distance of 150 mm and one Rainfall time of 15 minutes exist. An oxygen sensor obtained in this way is hereinafter referred to as a sample or

Probe B bezeichnet.Sample B.

Beim dritten Beispiel wird die Elektrodenversteifung 2d statt dlrch Elektroplattierung, wie beim ersten Beispiel, durch Ionenplattierung gebildet, wobei die Bedingungen der Ionenplattierung in einem Druck von 2x10 4 Torr, einem Niederschlagsabstand von 150 mm, einer Vorspann-Spannung von 3 KV, einer Niederschlagszeit von 30 Minuten und einem Elektronenstrahl strom von 200 mA bestehen. Auf diese Weise erhält man einen Sauerstoffmeßfühler, der im folgenden als Muster bzw. Probe C bezeichnet wird.In the third example, the electrode stiffener is 2d instead of dlrch Electroplating, as in the first example, formed by ion plating, where the conditions of ion plating in a pressure of 2x10 4 Torr, a deposition distance of 150 mm, a bias voltage of 3 KV, a precipitation time of 30 minutes and an electron beam current of 200 mA. That way you get an oxygen sensor, hereinafter referred to as Sample C.

Zum Vergleich werden bei einem Muster bzw. einer Probe D entsprechend dem Verfahren beim ersten Beispiel Platinelektroden von etwa 0,5 P Dicke durch nicht-elektrolytisches Plattieren auf beiden Seiten des festen Elektrolyten 2a gebildet und unmittelbar darauf wird ein Aluminiumoxidpulver-Uberzug in derselben Weise wie beim ersten Beispiel plasmametallisiert.For comparison, a sample or sample D is used accordingly the method in the first example platinum electrodes of about 0.5 P thickness by non-electrolytic Plating formed on both sides of the solid electrolyte 2a and immediately an alumina powder coating is then applied in the same manner as in the first example plasma-metallized.

Unter Verwendung der Muster bzw. Proben A, B, C und D wurden die Merkmale der Sauerstoffmeßfühler gemäß vorliegender Erfindung und herkömmlicher Art zum Vergleich untersucht.Using samples A, B, C, and D, the characteristics the oxygen sensor of the present invention and conventional type for comparison examined.

Als erstes wurden die Prüf- bzw. Testbedingungen wie folgt festgelegt: 2000 cm3-Maschine, 2500 Upm, Saugdruck von 350 mmHg, unverbleites Benzin als Kraftstoff und Dauer 200 Stunden.First of all, the test conditions were defined as follows: 2000 cc machine, 2500 rpm, suction pressure of 350 mmHg, unleaded gasoline as fuel and duration 200 hours.

Erläutert sei noch, daß in den Fig. 10 und 11 die Kennlinien der zum Vergleich gefertigten Probe D in zweierlei Hinsicht aufgenommen wurden, nämlich einmals als "Probe D" nach dem obengenannten Dauerversuch, wie auch die erfindungsgemäßen Proben A, B und C, und zum anderen aber auch als "Vergleichßprobe D' "vor dem Dauerversuch. Die Vergleichsprobe D' wurde also im Gegensatz zu den Proben A - D dem Dauerversuch nicht unterzogen.It should also be explained that in FIGS. 10 and 11 the characteristics of the for Comparison manufactured sample D were included in two ways, namely once as "sample D" after the above-mentioned long-term test, as well as those according to the invention Samples A, B and C, and on the other hand also as "comparative sample D '" before the endurance test. The comparative sample D 'was thus in contrast to the Samples A - D not subjected to the long-term test.

Zunächst wurde die Kennlinie der Luftüberschußrate () ) in Abhängigkeit von der elektromotorischen Kraft untersucht.First, the characteristic of the excess air rate ()) became dependent studied by the electromotive force.

Während des Teste wurde der Sauerstoffmeßfühler auf 5000C gehalten; ein Gasgemisch, das 1 % 112 und 99 % N2 pro Volumeneinheit enthält, wurde bei einer Rate von 2000 cm3/min auf die Seite des zu messenden Gases eingeleitet; im einen Bereich der Luftüberschußraten 2 = 0 bis 3 mit Zusatz von Luft wurde die elektromotorische Kraft des Meßfühlers mit einem Voltmeter von 1000 MdEingangsimpedanz gemessen; diese Ergebnisse sind in Fig. 10 zusammengefaßt. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, ist beim Sauerstoffmeßfühler gemäß vorliegender Erfindung die Elektrodenverschlechterung geringer als bei der herkömmlichen Probe D; eine höhere Spannung wird erzeugt; und das Ansteigen der elektromotorischen Kraft im Bereich des theoretischen Luft/ Brennstoff-Verhältnisses ist steiler. Dies zeigt, daß die Leistungsfähigkeit bzw. das Verhalten des Sauerstoffmeßfühlers gemäß vorliegender Erfindung ausgezeichnet ist.During the test, the oxygen sensor was kept at 5000C; a gas mixture containing 1% 112 and 99% N2 per unit volume was used in a Rate of 2000 cm3 / min introduced on the side of the gas to be measured; in one The range of excess air rates 2 = 0 to 3 with the addition of air became the electromotive Force of the probe measured with a voltmeter of 1000 Md input impedance; these Results are summarized in FIG. As can be seen from Fig. 10, is in the oxygen sensor of the present invention, electrode deterioration less than the conventional sample D; a higher voltage is generated; and the increase in the electromotive force in the range of the theoretical air / fuel ratio is steeper. This shows that the performance or the behavior of the oxygen sensor according to the present invention is excellent.

Darauf wurde die Belastungskennlinie des Sauerstoffmeßfühlers untersucht. Bei dem Versuch wurde der Meßfühler auf 5000C gehalten; ein Gasgemisch, das 1 % H2 und 99 % N2 pro Volumeneinheit enthält, wurde mit einer Rate von 2000 cm3/min auf der Seite des zu messenden Gases eingeleitet; variable Widerstände wurden an beiden Enden des Meßfühlers angeschlossen; mit verändertem Widerstand wurde die Klemmenspannung des Meßfühlers mit dem obengenannten Voltmeter gemessen.The load characteristic of the oxygen sensor was then examined. During the experiment, the sensor was kept at 5000C; a gas mixture containing 1% Containing H2 and 99% N2 per unit volume, was added at a rate of 2000 cm3 / min initiated on the side of the gas to be measured; variable resistors were on connected to both ends of the probe; with changed resistance became the The terminal voltage of the probe was measured with the voltmeter mentioned above.

Wie aus Fig. 11, in der die Ergebnisse zusammengeS;ellt sind, ersichtlich ist, ist selbst dann, wenn ein Lastwiderstand zugeschaltet ist, der Spannungsabfall sehr gering. Der Abfall in der gemessenen Spannung war vernachlässigbar, selbst als der Meßfühler an einen Spannungsmeßkreis angeschlossen wurde, der in dem System enthalten ist.As can be seen from Fig. 11, in which the results are summarized is the voltage drop even if a load resistor is connected very low. The drop in measured voltage was negligible, even than the probe was connected to a voltage measuring circuit, which is included in the system.

Danach wurde die Wirkung der veränderten Dicken der Metallelektroden (2b und 2d) und der porösen Schicht 2e auf die Reaktionskennlinie der Probe A untersucht. Untersucht wird die Reaktionszeit, die die elektromotorische Kraft des Meßfühlers inötigt,um 0,8 V zu erreichen, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases abrupt von 15,5 auf 14,0 geändert wurde, wobei eine 2000 cm3-Maschine, die bei 2500 Upm betrieben wird, ein Saugdruck von 350 mmHg und eine Meßfühlertemperatur von 650°C vorgesehen wurde. Diese Reaktionszeiten wurden als Reaktionskennlinie genommen.After that, the effect of changing the thicknesses of the metal electrodes (2b and 2d) and the porous layer 2e examined for the reaction characteristic of the sample A. The reaction time, which is the electromotive force of the sensor, is examined it takes to reach 0.8 V when the air / fuel ratio of the exhaust gas is abrupt was changed from 15.5 to 14.0 with a 2000cc machine operating at 2500 rpm is operated, a suction pressure of 350 mmHg and a sensor temperature of 650 ° C was provided. These response times were taken as the response curve.

Die Ergebnisse sind in den Fig. 12 und 13 zusammengefaßt, wobei die Ordinate die Reaktionszeit, die Abszisse die Dicke der Metallelektrode oder der porösen Schicht und die Linie, die die Zeichen verbindet, die # verbindet, die Kennlinienkurve ist. Wie daraus ersichtlich ist, ist die Dicke der Metallelektrode vorzugsweise geringer als 20 , während die der porösen Schicht vorzugsweise weniger als 250 µ ist.The results are summarized in FIGS. 12 and 13, the Ordinate the reaction time, the abscissa the thickness of the metal electrode or the porous layer and the line connecting the characters, connecting #, the characteristic curve is. As can be seen therefrom, the thickness of the metal electrode is preferable less than 20, while that of the porous layer is preferably less than 250 μ is.

Als nächstes wurde unter Verwendung der Probe A die Wirkung der veränderten Dicken der Metallelektroden (2b und 2d) und der porösen Schicht 2e auf die Meßfühlerlebensdauer untersucht. Bei der Untersuchung wurde die Zeit genommen, die die elektromotorische Kraft des Meßfühlers für einen Abfall unter 0,55 V benötigt, wobei eine 2000 cm3-Maschine mit 2500 Upm, Saugdruck von 350 mmHg, eine Meßfühlertemperatur von 650 0C und ein Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases gleich 14,0 vorgesehen wurde. DieseZeit wurde als Lebensdauer genommen.Next, using Sample A, the effect of the changed Thicknesses of the metal electrodes (2b and 2d) and the porous layer 2e on the sensor life examined. In the investigation, the time was taken that the electromotive Force of the probe required for a drop below 0.55 V, with a 2000 cc machine with 2500 rpm, suction pressure of 350 mmHg, a sensor temperature of 650 0C and a The air / fuel ratio of the exhaust gas was provided equal to 14.0. This time was taken as lifetime.

Die Ergebnisse sind in den Fig. 12 und 13 zusammengefaßt, in denen die Ordinate die Lebensdauer, die Abszisse die Dicke der Metallelektrode oder der porösen Schicht, und die Linie, die die Zeichen 0 verbindet, die Kennlinienkurve darstellt. Wie daraus ersichtlich ist, ist die Dicke der Metallelektrode vorzugsweise größer als 0,5 , während die der porösen Schicht vorzugsweise größer als 5,1 ist.The results are summarized in Figures 12 and 13, in which the ordinate the service life, the abscissa the thickness of the metal electrode or the porous layer, and the line connecting the characters 0 is the characteristic curve represents. As can be seen therefrom, the thickness of the metal electrode is preferable greater than 0.5, while that of the porous layer is preferably greater than 5.1.

Aus der Reaktions- bzw. Ansprechzeit und den Lebensdauerkennlinien ist ersichtlich, daß die Dicke der Metallelektroden (2b und 2d) vorzugsweise bei 0,5 bis 20 p liegt, während die der porösen bei Schicht 2e/vorzugsweise 5 bis 250µ liegt.From the reaction or response time and the service life characteristics it can be seen that the thickness of the metal electrodes (2b and 2d) is preferably at 0.5 to 20 p, while that of the porous layer 2e / preferably 5 to 250 microns lies.

Aufgrund dieses Aufbaus und der Kennlinien können vom erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühler die folgenden Leistungen erwartet werden: a) Da die Elektrodenverschlechterung gering ist und eine Elektrodenablösung kaum stattfindet, besitzt der Sauerstoffmeßfühler eine verlängerte Lebensdauer und eine erhöhte Zuverlässigkeit.On the basis of this structure and the characteristic curves, the inventive Oxygen probe the following performances are expected: a) Because the electrode deterioration is small and there is hardly any electrode detachment, the oxygen sensor has an extended service life and increased reliability.

b) Da der Anstieg der elektromotorischen Kraft um das theoretische Luft/Brennstoff-Verhältnis steil ist, besitzt der Meßfühler eine ausgezeichnete Meßeigenschaft.b) Since the increase in the electromotive force by the theoretical The air / fuel ratio is steep, the sensor has an excellent one Measuring property.

c) Die erzeugte elektromotorische Kraft ist weitaus größer als die durch einen herkömmlichen Sauerstoffmeßfühler erzeugte.c) The electromotive force generated is far greater than that generated by a conventional oxygen probe.

d) Die Dicke der Metallelektrode kann bei 0,5 bis 20>i und die der porösen Schicht bei 5 bis 250,1 liegen.d) The thickness of the metal electrode can be 0.5 to 20> i and the of the porous layer are from 5 to 250.1.

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Claims (12)

Titel: Sauerstoffmeßfühler und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche 1.) Sauerstoffmeßfühler mit einem festen Elektrolyten in Form eines mit einem geschlossenen Ende versehenen Zylinders aus einem Sauerstoffionen leitenden Material, mit einer Bezugselektrode an der Innenfläche des festen Elektrolyten und mit einer weiteren Elektrode an der Gasmeßfläche des festen Elektrolyten, von welchen Elektroden ein Ausgangssignal abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an der Gasmeßfläche des festen Elektrolyten (2a)au einer eine Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b), die durch chemisches Plattieren an einer geeigneten Stelle der Außenfläche zumindest im Bereich des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten (2a) gebildet ist, aus einer die Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c), die mit einer Metallpaste an einer geeigneten Stelle der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a) derart gebildet ist, daß sie mit der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) elektrisch verbunden ist, und aus einer Elektrodenversteifung (2d) zusammengesetzt ist, die an der Außenfläche zumindest der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) vorgesehen ist, und daß eine poröse Schicht (2e) aus einer anorganischen Substanz an der Außenfläche der Elektrodenversteifung (2b) gebildet ist. Title: Oxygen sensor and method for its manufacture Patent claims 1.) Oxygen sensor with a solid electrolyte in the form of a closed one End provided cylinder made of an oxygen ion conductive material, with a Reference electrode on the inner surface of the solid electrolyte and with another Electrode on the gas measuring surface of the solid electrolyte, one of which electrodes Output signal is picked up, characterized in that the electrode on the Gas measuring surface of the solid electrolyte (2a) on a generating an output voltage Electrode (2b) made by chemical plating at a suitable location on the outer surface formed at least in the area of the closed end of the solid electrolyte (2a) is composed of an output voltage decreasing electrode (2c) coated with a metal paste so formed at a suitable location on the outer surface of the solid electrolyte (2a) is that it is electrically connected to the output voltage generating electrode (2b) is connected, and is composed of an electrode stiffener (2d) which on the outer surface of at least the electrode generating the output voltage (2b) is provided, and that a porous layer (2e) made of an inorganic substance is formed on the outer surface of the electrode stiffener (2b). 2. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Dicke der die Ausgangs spannung erzeugenden Elektrode (2b) und der die Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c) bzw. der Elektrodenversteifung (2d) etwa 0,25 bis 20 p ist.2. Oxygen sensor according to claim 1, characterized in that the combined thickness of the output voltage generating electrode (2b) and the the output voltage decreasing electrode (2c) or the electrode stiffener (2d) is about 0.25 to 20 p. 3. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der porösen Schicht (2e) etwa 5 bis 250 r ist.3. Oxygen sensor according to claim 1 or 2, characterized in that that the thickness of the porous layer (2e) is about 5 to 250 r. 4. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) die gesamte Oberfläche des geschlossenen vorderen Endes des festen Elektrolyten (2a) überdeckt, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c) die gesamte Ob erfläche des festen Elektrolyten (2a) außer dem Bereich der die Ausgangs spannung erzeugenden Elektrode (2b) im wesentlichen überdeckt und daß die Elektrodenversteifung (2d) die gesamte Oberfläche beider Elektroden (2b, 2c) überdeckt (Fig. 3).4. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the output voltage generating electrode (2b) covers the entire surface of the closed front end of the solid electrolyte (2a) covers that the Output voltage decreasing electrode (2c) the entire surface of the solid electrolyte (2a) except for the area of the output voltage generating electrode (2b) essentially covers and that the electrode stiffener (2d) the entire surface of both electrodes (2b, 2c) covered (Fig. 3). 5. SauerstoffmeBfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) die gesamte Oberfläche des geschlossenen vorderen Endes des festen Elektrolyten (2a) überdeckt, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c) die gesamte Oberfläche des festen Elektrolyten (2a) außer dem Bereich der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) überdeckt und daß die Elektrodenverstärkung (2d) auf der Außenfläche ausschließlich der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) gebildet ist (Fig. 4).5. Oxygen sensor according to one of Claims 1 to 3, characterized in that that the output voltage generating electrode (2b) covers the entire surface of the closed front end of the solid electrolyte (2a) covers that the Output voltage decreasing electrode (2c) the entire surface of the solid electrolyte (2a) covered except for the area of the electrode (2b) generating the output voltage and that the electrode reinforcement (2d) on the outer surface excluding the die Output voltage generating electrode (2b) is formed (Fig. 4). 6. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c)die Form einer Vielzahl von längs gerichteten Streifen besitzt, die an die Spitze der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a) heranreichen, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) an der Außenfläche des vorderen Endes des festen Elektrolyten (2a) außer im Bereich der die Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c) gebildet ist und daß die Elektrodenversteifung (2d) an der Außenfläche ausschließlich der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) vorgesehen ist (Fig. 5).6. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the output voltage decreasing electrode (2c) has the shape of a plurality of Has longitudinal strips that attach to the tip of the outer surface of the solid Electrolyte (2a) close to that of the electrode generating the output voltage (2b) on the outer surface of the front end of the solid electrolyte (2a) except in the Area of the output voltage decreasing electrode (2c) is formed and that the electrode stiffener (2d) on the outer surface excluding the output voltage generating electrode (2b) is provided (Fig. 5). 7. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) die gesamte Außenfläche des geschlossenen vorderen Teils des festen Elektrolyten (2a) überdeckt, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c) an die die Auagangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) angrenzend als eine Vielzahl von Umfangs- und Längsstreifen gebildet ist, und daß die Elektrodenversteifung (2d) an der Außenfläche ausschließlich der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) gebildet ist (Fig. 6).7. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the output voltage generating electrode (2b) covers the entire outer surface of the closed front part of the solid electrolyte (2a) covers that the Output voltage decreasing electrode (2c) to the output voltage generating Electrode (2b) formed adjacent as a plurality of circumferential and longitudinal strips is, and that the electrode stiffener (2d) on the outer surface exclusively the the output voltage generating electrode (2b) is formed (Fig. 6). 8. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c) als Gitterband auf der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a) gebildet ist, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) auf der Außenfläche des vorderen Teils des festen Elektrolyten (2a) außer im Bereich der die dusgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c) gebildet ist und daß die Elektrodenversteifung (2d) nur an der Außenfläche der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) gebildet ist (Fig. 7).8. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the output voltage decreasing electrode (2c) as a grid band on the outer surface of the solid electrolyte (2a) is formed that the output voltage generating Electrode (2b) on the outer surface of the front part of the solid electrolyte (2a) except in the area of the electrode (2c) decreasing the output voltage and that the electrode stiffener (2d) only on the outer surface of the output voltage generating electrode (2b) is formed (Fig. 7). 9. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsspannung abnehmende Elektrode (2c)die Form eines Gitterbandes auf der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a) besitzt, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) die gesamte Außenfläche der festen Elektrodenspitze einschließlich des Bereichs der die Ausgangsspannung ahnehmenden Elektrode (2c) überdeckt und daß die Elektrodenversteifung (2d) nur auf der Außenfläche der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) gebildet ist (Fig. 8). 9. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the output voltage decreasing electrode (2c) has the shape of a Grid tape on the outer surface of the solid electrolyte (2a) has that the Output voltage generating electrode (2b) the entire outer surface of the fixed electrode tip including the area of the output voltage receiving electrode (2c) covered and that the electrode stiffener (2d) only on the outer surface of the Output voltage generating electrode (2b) is formed (Fig. 8). 10. Sauerstoffmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgangsapannung abnehmende Elektrode (2c) die Form eines Gitterbandes auf der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a) besitzt, daß die die Ausgangsspannung erzeugende Elektrode (2b) die gesamte Außenfläche der festen Elektrodenspitze einschließlich des Bereichs der die Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c) überdeckt und daß die Elektrodenversteifung (2d) an den Außenflächen beider Elektroden (2b, 2c) vorgesehen ist. (Fig. 9).10. Oxygen sensor according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the output voltage decreasing electrode (2c) has the shape a grid tape on the outer surface of the solid electrolyte (2a) has that the output voltage generating electrode (2b) covers the entire outer surface of the fixed Electrode tip including the area where the output voltage is decreasing Electrode (2c) covered and that the electrode stiffener (2d) on the outer surfaces both electrodes (2b, 2c) is provided. (Fig. 9). 11. Verfahren zum Herstellen eines Sauerstoffmeßfühlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch Brennen eines Zylinders mit einem geschlossenen Ende aus einem Sauerstoffionen leitenden Material ein fester Elektrolyt hergestellt wird, an dessen Außen- und Innenfläche eine Elektrode aufgebracht wird, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende 8chritte: a) Bilden einer eine Ausgangsspannung abnehmenden Elektrode (2c) durch Anbringen und Wärmebehandeln einer Metallpaste an einer geeigneten Stelle der Außenfläche des festen Elektrolyten (2a); b) Bilden einer die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) durch chemisches Plattieren an einer geeigneten Stelle der Außenfläche zumindest des geschlossenen Endes des festen Elektrolyten (2a); c) Bilden einer Elektrodenversteifung (2d) an der Außenfläche von zumindest der die Ausgangsspannung erzeugenden Elektrode (2b) durch Vakuumdampfablagerung, Elektroplattieren, Ionenplattieren oder Metallisieren, d) Bilden einer porösen Schicht (2e) aus einer anorganischen Substanz auf die Außenflächen der Elektroden (2b, 2c); e) Bilden einer Bezugsgaselektrode (2f) an der Innenfläche des festen Elektrolyten (2a) durch chemisches Plattieren oder durch Aufbringen und Wärmebehandeln einer Metallpaste; f) sicheres Fixieren des festen Elektrolyten (2a) zusammen mit den Elektroden (2b - 2f) an seiner Innen- und Außenfläche in einem Halter (1) in solcher Weise, daß der Elektrolyt (2a) mit der die Ausgangs spannung erzeugenden Elektrode (2b) elektrisch verbunden werden kann; und g) Vorsehen einer Ausgangsklemme (7) zur elektrischen Verbindung mit der Bezugsgaselektrode (2f).11. A method for manufacturing an oxygen sensor according to a of the preceding claims, wherein by firing a cylinder with a closed A solid electrolyte is made from a material that conducts oxygen ions is, on the outer and inner surface of which an electrode is applied, g e k e n n z e i c h n e t through the following 8 steps: a) Formation of an output voltage decreasing electrode (2c) by applying and heat treating a metal paste at a suitable location on the outer surface of the solid electrolyte (2a); b) Form an output voltage generating electrode (2b) by chemical plating at a suitable point on the outer surface of at least the closed end of the solid electrolyte (2a); c) Forming an electrode stiffener (2d) on the outer surface of at least the output voltage generating electrode (2b) by vacuum vapor deposition, electroplating, ion plating or metallizing, d) forming a porous layer (2e) of an inorganic substance on the outer surfaces the electrodes (2b, 2c); e) forming a reference gas electrode (2f) on the inner surface of the solid electrolyte (2a) by chemical plating or by applying and Heat treating a metal paste; f) secure fixing of the solid electrolyte (2a) together with the electrodes (2b - 2f) on its inner and outer surface in one Holder (1) in such a way that the electrolyte (2a) with the output voltage generating electrode (2b) can be electrically connected; and g) providing one Output terminal (7) for electrical connection to the reference gas electrode (2f). 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Reihenfolge Eas Anbringen der Metailpaste und das chemische Plattieren betreffenden Verfahrensschritte a) und b) auch umgekehrt werden kann.12. The method according to claim 11, characterized in that the The order of applying the metal paste and chemical plating is concerned Process steps a) and b) can also be reversed. - Ende der Ansprüche -- End of claims -
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