DE3120159C2

DE3120159C2 -

Info

Publication number: DE3120159C2
Application number: DE3120159A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. 7141 Freiberg De Stahl; Hans-Martin Dr. 7000 Stuttgart De Wiedenmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1989-12-07
Also published as: US4400260A; JPS57196148A; DE3120159A1; JPH029713B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meß fühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem solchen Meßfühler der bereits aus der DE-OS 29 13 866 bekannt ist, besteht in seinem unteren Arbeitstemperatur bereich (250 bis 400°C) die Gefahr, daß - in Hinsicht auf den Festelektrolyten - die dünne Elektroisolierschicht zwischen dem schichtförmigen Widerstandsheizelement und dem Festelektrolyten einen zu geringen elektrischen Iso lationswiderstand aufweist; infolge dieses zu geringen Isolationswiderstandes können sogenannte "Leckströme" zwischen Heizelemente und den Elektroden verursacht werden, die das Meßsignal des Meßfühlers verfälschen und demzufolge die mittels des Meßfühlers beeinflußte Brennkraftmaschine falsch regeln können; im Arbeitstemperaturbereich des Meß fühlers oberhalb von 400°C besteht dieses Problem aufgrund des Widerstandsverhaltens von Festelektrolyt und Elektroiso lierschicht nicht. Derartige Meßfühler können plättchenförmig (DE-OS 29 13 866) oder rohrförmig (DE-OS 30 35 608) sein, ihre Elektroden auf der gleichen Seite oder auf verschiedenen Seiten des Festelektrolyten angeordnet haben (DE-OS 29 13 866), nach dem potentiometrischen oder dem polarographischen Meßprinzip arbeiten (DE-OS 29 28 496), und entweder eine einem Referenzstoff bekannten Sauerstoffgehalts (z. B. Luft) ausgesetzte Bezugselektrode aufweisen oder eine dem Meßgas ausgesetzte Bezugselektrode besitzen (DE-OS 29 28 496).

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß er sowohl in seinem Arbeits temperaturbereich oberhalb 400°C als auch in seinem unteren Arbeitstemperaturbereich (250 bis 400°C) unver fälschte Meßsignale abgibt, daß die Isolationsanforderungen an die Elektroisolierschicht zwischen Heizelement und Fest elektrolyten nicht extrem hoch sein müssen und daß der hoch beanspruchte Festelektrolyt des Sensorelements nicht ge schädigt wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektrochemischen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der erfindungsgemäßen Schutzelektrode und dem Festelektrolyten eine zusätzliche Elektroisolierschicht angeordnet ist, weil dann die Schutzelektrode und eine Elektrodenschicht des Meßfühlers eine einzige mit der Heizungsrückleitung elektrisch verbundene Schicht sein kann.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 die vergrößerte Darstellung der Draufsicht auf eine Großfläche eines plättchenför migen, erfindungsgemäßen Sensorelementes, bei dem Meß- und Bezugselektrode dem Meßgas ausgesetzt sind,

Fig. 2 einen Schnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Sensor element entlang der Linie II/II,

Fig. 3 das elektrische Scheidungsprinzip zwischen Bezugs-, Meß- und Schutz elektrode und dem Heizelement bei dem Sensorelement ge mäß der Fig. 1 und 2,

Fig. 4 die vergrößerte Dar stellung eines Querschnitts (Ausschnitt) durch ein rohr förmiges Sensorelement nach der Erfindung, wobei die Innenelektrode einem Bezugsstoff bekannten Sauerstoffge haltes ausgesetzt ist und

Fig. 5 das elektrische Schal tungsprinzip zwischen Bezugs-, Meß- und Schutzelektrode und dem Heizelement bei dem Sensorelement gemäß der Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in den Fig. 1 u. 2 dargestellte Sensorelement 10 ist plättchenförmig und kann in einem Metallgehäuse festgelegt werden wie z. B. aus der DE-OS 28 55 012 bekannt ist; auf eine Beschreibung der Anordnung des Sensorelementes 10 in einem metallischen Gehäuse ist deshalb verzichtet. Das Sensorelement 10, das zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen dient, umfaßt einen plättchenförmigen Festelektrolyten 11, eine auf der ersten Großfläche 12 des Festelektrolyten 11 nach bekannten Verfahren aufgebrachte Bezugselektrode 13, eine auf der zweiten Großfläche 14 des Festelektrolyten 11 eben falls nach bekannten Verfahren aufgebrachte Meßelektrode 15 und ein schichtförmiges Widerstandsheizelement 16, welches die Meßelektrode 15 auf der zweiten Festelektrolyt-Groß fläche 14 umgibt wie es in der DE-OS 29 13 866 dargestellt ist; das schichtförmige Widerstandsheizelement 16 ist auf einer Elektroisolierschicht 17 angeordnet, die etwas breiter ist als das Widerstandsheizelement 16 und gegenüber der zweiten Festelektrolyt-Großfläche 14 mittels einer schichtförmigen Schutzelektrode 18 getrennt ist. Der plättchenförmige Festelektrolyt 11 dieses nach dem po tentiometrischen Meßprinzip arbeitenden Sensorelementes 10 besteht beispielsweise aus stabilisiertem Zirkon dioxid, welches oberhalb 250°C eine gute Leitfähig keit für Sauerstoffionen aufweist; dieser Festelektro lyt 11 ist 0,8 mm dick, 8 mm breit, 60 mm lang und dient als Träger des Sensorelementes 10. Die durch Aufdrucken, Aufwalzen oder ähnliches auf die zweite Festelektrolyt-Groß fläche 14 aufgebrachte Meßelektrode 15 besteht aus einer etwa 7 µm dicken, porösen Schicht eines Platinmetalls und ist mit ihrem Anschlußbereich 19 und die Leiterbahn 20 verbunden; der Anschlußbereich 19 und die Leiterbahn 20 können ebenfalls aus einem Platinmetall bestehen und mittels bekannter Verfahren wie z. B. Aufdrucken auf dem Fest elektrolytplättchen 11 aufgebracht werden. Die auf der ersten Festelektrolyt-Großfläche 12 ebenfalls nach be kannten Verfahren aufgebrachte Bezugselektrode 13 besteht aus einem katalytisch weniger aktiven Material als die Meßelektrode 15, z. B. aus Gold und ist ebenfalls etwa 7 µm dick; auch diese Bezugselektrode 13 ist über eine (nicht bezeichnete) Leiterbahn elektrisch mit einem (nicht dargestellten) Anschlußbereich am anschlußseitigen Endab schnitt des Sensorelementes 10 verbunden. Beide Elektroden 13 und 15 sind dem Meßgas ausgesetzt und wirken oberhalb von etwa 250°C als elektrochemische Zelle, welche als Nutz signal einen Spannungssprung erzeugt, wenn ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Kraftstoffdampf und der Verbrennungsluft vorliegt.

Der U-förmig um die Meßelektrode 15 verlaufende streifen förmige Randbereich des Festelektrolytplättchens 11 ist mit der Schutzelektrode 18 versehen, welche aus einer etwa 8 µm dicken Platinmetallschicht besteht, zusätzlich keramische Bestandteile wie Aluminiumoxid oder Magnesium spinell enthalten kann und Abstand von der Meßelektrode 15 hält; auch diese Schutzelektrode 18 ist nach irgendeinem bekannten Verfahren wie Aufdrucken, Aufdampfen oder ähnliches auf das Festelektrolytplättchen 11 aufgebracht. Auf die Schutzelektrode 18 ist anschließend die Elektroisolierschicht 17 aufgebracht, welche beispielsweise aus Aluminiumoxid be stehen kann und 60 µm ist; diese Elektroisolierschicht 17 bedeckt die Schutzelektrode 18 ausschließlich eines An schlußbereiches 21 am anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytplättchens 11. Dieser Schutzelektroden-Anschluß bereich 21 ist auch gleichzeitig der Anschlußbereich für die Rückleitung des Widerstandsheizelementes 16, welches von einer 20 µm dicken Platinmetallschicht gebildet wird, gegebenenfalls auch Keramikanteile enthalten kann und vor zugsweise etwas schmaler ausgeführt wird als die Elektro isolierschicht 17. Der Anschlußbereich 22 für den positiven Anschluß des Widerstands-Heizelementes 16 liegt am in der Fig. 1 dargestellten rechten Schenkel des U-förmigen Wider standsheizelementes 16. Das Widerstandsheizelement 16 kann - wie es in der DE-OS 29 13 866 beschrieben ist - verschiedenartigen Verlauf haben (z. B. mäanderförmig, zick-zack-förmig) und ist ebenfalls nach einem bekannten Verfahren wie Auf drucken oder ähnlichem auf der Elektroisolierschicht 17 aufgebracht. - Auf die Darstellung von bekannten porösen Schutzschichten für die Elektroden 13 und 15 sowie auch gegebenenfalls für das Widerstandsheizelement 16 wurde zur Klarheit der Darstellung verzichtet.

In der Fig. 3 ist das Schaltungsprinzip des Sensor elementes 10 dargestellt: Die Bezugselektrode 13 ist mit einem in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Anschlußbereich 23 am anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytplättchens 11 verbunden, die Meß elektrode 15 ist über die Leiterbahn 20 mit ihrem An schlußbereich 19 verbunden, die Schutzelektrode 18 ist mit der Rückleitung des Heizelementes 16 im Anschluß bereich 21 verbunden und der positive Anschluß des Heiz elementes 16 liegt im Anschlußbereich 22.

Es sei erwähnt, daß auch auf der ersten Großfläche 12 des Festelektrolytplättchens 11 ein Widerstandsheizelement einschließlich Elektroisolierschicht und Schutzelektrode angeordnet werden kann; in einem solchen Falle wäre der positive Anschluß dieses Heizelementes mit dem Anschluß bereich 22 des Widerstandsheizelementes 16 zu verbinden und die Rückleitung eines solchen Heizelementes und eben falls die zugehörige Schutzelektrode mit dem Anschlußbereich 21 elektrisch zu verbinden.

Die gleiche Anordnung des Widerstandsheizelementes 16 einschließlich der Elektroisolierschicht 17 und der Schutzelektrode 18 ist zweckmäßig, sofern nicht nur die Meßelektrode 15 sondern auch die Bezugselektrode 13 auf einer einzigen Großfläche 12 bzw. 14 angeordnet ist; bei einer derartigen Anordnung von Bezugselektrode 13 und Meßelektrode 15 kann anstelle des als Träger des Sensorelementes 10 dienenden Festelektrolytplättchens 11 auch eine dünne Festelektrolytschicht Verwendung fin den, welche auf einem elektrischen Isolator aufgebracht ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Widerstandsheizele mentes 16 ist darüber hinaus auch anwendbar, wenn das Sensorelement 10 nach dem bekannten polarographischen Meßprinzip arbeitet, wobei an die beiden Elektroden 13 und 15 eine Gleichstromquelle angeschlossen wird; bei einem derartigen Meßfühler, der beispielsweise in der DE-OS 29 28 496 beschrieben ist, wird ein Meßsignal er zeugt, das dem Sauerstoffgehalt im Meßgas proportional ist. Ein solches nach dem polarographischen Meßprinzip arbeitendes Sensorelement ist auf der Meßelektrode be vorzugt mit einer Diffusionsbarriere für Sauerstoff moleküle versehen, welche beispielsweise als poröse Schicht oder als enge Kanäle ausgebildet sein kann.

Widerstandsheizelemente 16 mit erfindungsgemäßer Anord nung von Elektroisolierschicht 17 und Schutzelektrode 18 verhindern weitgehend Meßsignale verfälschende Leckströme und verkürzen beim Einschalten einer entsprechenden An lage den Zeitbedarf zum Erzielen unverfälschter Meßsignale. Einen noch höheren Sicherheitsfaktor zum Vermeiden von Leckströmen, die vom Widerstandsheizelement 16 zur Meßelektrode 15 und/oder der Bezugselektrode 13 fließen, ist dann erzielbar, wenn zwischen der Schutzelektrode 18 und dem Festelektrolyt plättchen 11 noch eine zusätzliche Elektroisolierschicht angebracht ist, die in Stoff und Dicke der Elektroisolier schicht 17 entsprechen kann.

In der Fig. 4 ist ausschnittsweise der Querschnitt durch eine andere Art eines Sensorelementes dargestellt, das mit 24 bezeichnet ist. Träger dieses Sensorelementes 24 ist ein rohrförmiger Festelektrolyt 25, wie er bereits aus der DE-OS 28 41 771 bekannt ist; dieses Festelektrolytrohr 25 ist an seinem meßgasseitigen Ende mit einem nicht darge stellten Boden verschlossen. Ein solches Festelektrolyt rohr 25, das in Brennkraftmaschinen Anwendung finden kann, hat einen Außendurchmesser von 8 mm und eine Wandstärke von 0,8 mm, kann aus dem gleichen Material bestehen wie der plättchenförmige Festelektrolyt des Sensorelementes 10 in den Fig. 1 und 2 und ist anschlußseits in einem metallischen Gehäuse umfaßt wie es beispielsweise auch aus der DE-OS 28 41 771 bekannt ist. Ein solches Sensor element 24 ist auf der Innenfläche 26 des Festelektro lytrohres 25 mit einer Bezugselektrode 27 beschichtet, die aus einem porösen Platinmetall besteht und bevorzugt zum nicht dargestellten Boden des Festelektrolytrohres 24 führt; diese Bezugselektrode 27 ist etwa 7 µm dick, kann beispiels weise durch ein Druckverfahren auf die Festelektrolytrohr- Innenfläche 26 aufgebracht werden und ist einem Bezugs stoff mit bekanntem Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Zumeist wird als ein solcher Bezugsstoff der Luft-Sauerstoff Ver wendung finden, es sind bekannterweise aber auch Mischungen von geeigneten Metallen und Metalloxiden (z. B. Nickel/ Nickeloxid) hierfür geeignet. Die Bezugselektrode 27 wird vorzugsweise streifenförmig ausgeführt und endet anschluß seits im Bereiche des offenen Endabschnitts des Festelektro lytrohres 25. Auf der Außenfläche 28 des Festelektrolytrohres 25 ist eine Meßelektrode 29 nach irgendeinem bekannten Verfahren wie Aufdrucken, Aufspritzen, Aufdampfen oder ähnlichem aufgebracht, die ebenfalls aus einem porösen Platinmetall besteht, etwa 15 µm dick ist und ihren Anschluß bereich am offenen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 25 besitzt. Auf die Darstellung einer zumeist auf der Meßelektrode 29 angeordneten porösen Schutzschicht, die z. B. aus Magnesium spinell bestehen kann, wurde verzichtet.

Ein solches Sensorelement 24 kann wie das Sensorelement 10 nach den Fig. 1 und 2 ebenfalls nach dem potentiometrischen oder polarographischen Meßverfahren arbeiten und ist bei Verwendung als polarographisches Meßelement auf seiner Meßelektrode 29 noch mit einer zusätzlichen Diffusions barriere für Sauerstoffmoleküle versehen, wie sie be reits beschrieben wurde.

Soll ein solches Sensorelement 24 mit einem schichtför migen Widerstandsheizelement 30 versehen werden, so ist es mittels einer ersten Elektroisolierschicht 31 von der Meßelektrode 29 zu trennen; diese erste Elektroisolier schicht 31, die breiter ausgeführt ist als das Wider standszeizelement 30 entspricht in Stoff und Dicke der Elektroisolierschicht 17 des Sensorelementes 10. Auch das Widerstandsheizelement 30 kann in Stoff und Dicke eben falls dem Widerstandsheizelement 16 des Sensorelementes 10 entsprechen und hat seine nicht dargestellten Anschluß bereiche am offenen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 25. Unterhalb der ersten Elektroisolierschicht 31 ist zwischen der Meßelektrode 29 und dem Festelektrolyten 25 noch eine zweite Elektroisolierschicht 32 angeordnet, die in Stoff und Dicke der ersten Elektroisolierschicht 31 entsprechen kann, jedoch bevorzugt noch etwas breiter ist als die erste Elektroisolierschicht 31. Aufgrund dieser Anordnung der zweiten Elektroisolierschicht 32 ist es möglich, daß die Meßelektrode 29 gleichzeitig Schutzelektrode ist. Bei dieser fertigungstechnisch bevorzugten Ausführungsform eines Sensorelementes 24 ist die Meß- und Schutzelektrode 29 im Anschlußbereich auf dem Festelektrolytrohr 25 wieder mit der Rücklei tung des Widerstandsheizelementes 30 elektrisch ver bunden und - wie aus dem Schaltungsprinzip in Fig. 5 ersichtlich - zu einem gemeinsamen Anschlußbereich 33 vereinigt. Als weitere Anschlüsse befinden sich auf dem anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 25 der Anschlußbereich 34 der Bezugselektrode 27 und der positive Anschluß 35 des Heizelementes 30. Dieses be schriebene Sensorelement 24 weist also nur drei erfor derliche Anschlüsse 33, 34 und 35 auf, während das in den Fig. 1 bis 3 beschriebene Sensorelement 10 die vier Anschlußbereiche 19, 21, 22, 23 besitzt.

Es sei erwähnt, daß auch eine separate Schutzelektrode zwischen dem Widerstandsheizelement 30 und der Bezugs elektrode 27 das Entstehen von Leckströmen verhindern kann, wenn anstelle der gemeinsamen Meß- und Schutzelektrode 29 je eine Meßelektrode und eine Schutzelektrode auf ver schiedenen Bereichen der Festelektrolytrohr-Außenfläche 28 aufgebracht und elektrisch gegeneinander isoliert sind; eine solche Anordnung entspräche im Prinzip der Anordnung von Widerstandsheizelement 16, Elektroisolierschicht 17 und Schutzelektrode 18 auf einem Festelektrolyten 11 beim Sensorelement 10.

Das beheizte Sensorelement 24 kann an einer Auswerte schaltung betrieben werden wie ein unbeheiztes Sensor element und erfordert keine hochohmige Trennung zwischen dem Meßkreis und der Spannungsversorgung der Auswerte schaltung.

Anstelle des mit einem Boden versehenen Festelektrolyt rohres 25 des Sensorelementes 24 können auch Festelektro lytrohre ohne Boden oder mit Querbohrungen Verwendung finden und demzufolge die Bezugselektrode dem Meßgas ausgesetzt sein; in einem solchen Falle ist - wie beim Sensorelement 10 in den Fig. 1 und 2 - für die Meß elektrode ein katalytisch aktiveres Material zu verwenden als das für die Bezugselektrode.

Es versteht sich, daß anstelle von schichtförmigen Wider standsheizelementen für bestimmte Anwendungsfälle - ins besondere für Sensorelemente mit rohrförmigen Festelektro lyten - drahtförmige Widerstandsheizelemente bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können.

Claims

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einem sauerstoffionen leitendem Festelektrolyten, der mit in Abstand vonein ander angeordneten, porösen Elektrodenschichten und mit mindestens einem Widerstandsheizelement versehen ist, welches mittels einer Elektroisolierschicht vom Fest elektrolyten getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Festelektrolyten (11, 25) und der Elektroisolierschicht (17, 31) eine schichtförmige Schutzelektrode (18, 29) befindet, welche mit der Rück leitung (21, 33) des Heizelementes (16, 30) elektrisch verbunden ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Schutzelektrode (29) und dem Fest elektrolyten (25) eine zweite Elektroisolierschicht (32) befindet.

3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzelektrode (29) mit einer Elektrodenschicht (29) elektrisch in Verbindung steht.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzelektrode (29) und die elektrisch damit ver bundene Elektrodenschicht (29) eine einzige Schicht ist.