DE102012214133A1

DE102012214133A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102012214133A1
Application number: DE201210214133
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Lothar Diehl; Sascha Klett; Gerhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2013029824A1; CN103748460A

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder zur Erfassung einer Temperatur des Gases vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst mindestens einen Festelektrolyten (12), mindestens eine auf dem oder in dem Festelektrolyten (12) angeordnete Elektrode (14, 16), und mindestens ein Heizelement (18) zum Beheizen des Festelektrolyten (12). Das Heizelement (18) weist mindestens einen Zuleitungsbereich (24) und einen Heizbereich (26) auf, wobei der Zuleitungsbereich (24) einen Kaltwiderstand aufweist, der nicht mehr als 30 %, vorzugsweise nicht mehr als 25 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 16 %, eines Kalt-Gesamtwiderstands des Heizelements (18) beträgt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Gases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl Lambda beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Aufgrund ihres Messprinzips muss die Lambdasonde in der Regel zunächst auf ihre Betriebstemperatur oder Funktionstemperatur erwärmt werden, da der Festkörperelektrolyt erst bei Temperaturen oberhalb 350 °C für Sauerstoffionen leitend wird. Die Betriebstemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 600 °C bis 1200 °C.
Die DE 35 38 460 A1 offenbart ein Sauerstoffsensorelement für ein Kraftfahrzeug mit einer Sensoreinheit und einer Heizeinheit. Das Sauerstoffelement weist aufgrund seines Einsatzes in einem Kraftfahrzeug eine Länge von 50 mm bis 80 mm und eine Breite von 4 mm bis 7 mm auf. Die Sensoreinheit umfasst einen Festelektrolytkörper mit darauf ausgebildeten Bezugs- und Messelektroden und Leitern. Die Heizeinheit umfasst ein auf einem Keramiksubstrat angeordneten Heizbereich in Form eines Widerstandsheizelements und ein Paar von dem Widerstandsheizelement ausgehender Leiter, deren Widerstand kleiner als der des Widerstandheizelements ist.
Gerade in asiatischen Ländern sind motorisierte Zweiräder stark verbreitet. In diesen Ländern sind in den nächsten Jahren signifikante Verschärfungen der Abgasvorschriften geplant. Daraus resultiert ein großer Bedarf an Sensorelementen, insbesondere stöchiometrischen Lambdasonden, zur Gemischregelung bei den Verbrennungsmotoren dieser Zweiräder. Die Anforderung an Lambdasonden für kleinmotorisierte Fahrzeuge, wie beispielsweise Motorräder, unterscheiden sich dabei deutlich von den Anforderungen an Lambdasonden für Kraftfahrzeuge. Insbesondere müssen die Sensorelemente für kleinmotorisierte Fahrzeuge noch kostengünstiger und kleinbauender ausgelegt werden. Ferner muss die Temperaturbelastbarkeit der verschiedenen Bauteile, wie beispielsweise Festelektrolyt, Sondenkörper oder Kabelausgang, mindestens genauso hoch sein wie bei Sensorelementen für Kraftfahrzeuge, da die kleinmotorisierten Fahrzeuge üblicherweise kostengünstigere Motorenkonzepte verwenden, die eine schlechtere Verbrennung aufweisen und somit einen schlechteren Wirkungsgrad bedingen. Daher kommt es zu langen Betriebsphasen im Volllastbetrieb, so dass die Sensorelemente entsprechend hohen Abgastemperaturen ausgesetzt sind.
Lambdasonden für Kraftfahrzeuge, insbesondere Automobile, und Nutzfahrzeuge weisen ein vergleichsweises großes Heizelement mit einer hohen Leistungsaufnahme auf. Ein niederohmiger, leistungsstarker Heizer, wie er bei solchen Lambdasonden verwendet wird, wäre für kleinmotorisierte Fahrzeuge zu groß und aufgrund der zusätzlichen Kosten für eine leistungsstarke Heizerendstufe sowie für eine wärmeeffektive Wärmeableitung aus dem Steuergerät problematisch.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement vorgeschlagen, das in seiner Konstruktion kompakter als bislang bekannte Sensorelemente für Kraftfahrzeuge ist und das insbesondere für kleinmotorisierte Fahrzeuge, insbesondere Zweiräder wie beispielsweise Motorräder, geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder zur Erfassung einer Temperatur des Gases, kann mindestens einen Festelektrolyten, mindestens eine auf dem oder in dem Festelektrolyten angeordnete Elektrode, und mindestens ein Heizelement zum Beheizen des Festelektrolyten umfassen. Das Heizelement kann mindestens einen Zuleitungsbereich und einen Heizbereich aufweisen, wobei der Zuleitungsbereich einen Kaltwiderstand aufweist, der nicht mehr als 30 %, vorzugsweise nicht mehr als 25 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 16 %, eines Kalt-Gesamtwiderstands des Heizelements beträgt.
Das Heizelement kann einen Kalt-Gesamtwiderstand von 6 bis 22 Ohm und bevorzugt von 8 bis 20 Ohm aufweisen. Das Sensorelement kann eine Länge von maximal 50 mm, bevorzugt maximal 45 mm und besonders bevorzugt maximal 35 mm, und eine Breite von maximal 10 mm, bevorzugt maximal 8 mm und besonders bevorzugt maximal 4 mm, aufweisen, beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 4 mm. Das Heizelement kann einen Heizleiter umfassen, der in dem Heizbereich eine geringere Dicke und eine geringere Breite als in dem Zuleitungsbereich aufweist, beispielsweise eine Dicke von maximal 50 % der Dicke des Zuleitungsbereich und/oder eine Breite von maximal 50 % der Breite des Zuleitungsbereichs. Das Heizelement kann aus einem Metall-Cermet oder Metalllegierung-Cermet hergestellt sein. Das Metall oder zumindest ein Metall der Metalllegierung kann ausgewählt sein aus der Gruppe der Metalle der Platinmetallgruppe, wobei das Cermet des Metall-Cermets oder des Metalllegierung- Cermets Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid mit 20 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 22 bis 35 Vol.-% und noch bevorzugter 25 bis 30 Vol.-%, enthält, beispielsweise 25 Vol.-%. Der Heizleiter kann in dem Heizbereich mäanderförmig ausgebildet sein und kann mindestens fünf Mäanderkehren umfassen kann. Der Heizleiter kann in dem Heizbereich insbesondere eine Dicke von maximal 16 µm, bevorzugt maximal 12 µm und besonders bevorzugt maximal 8 µm, und eine Breite von maximal 300 µm, bevorzugt maximal 250 µm und besonders bevorzugt maximal 200 µm, aufweisen, beispielsweise eine Dicke von 8 µm und eine Breite von 200 µm. Das Heizelement kann ein elektrisches Heizelement mit einer maximalen Leistungsaufnahme von maximal 5 W, bevorzugt maximal 4 W und besonders bevorzugt maximal 3,5 W, bei einer Betriebsspannung von 13 V sein, beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 5 W. Der Heizleiter kann in dem Heizbereich derart mäanderförmig ausgebildet sein, dass die Leiterabschnitte, die die Mäanderkehren bilden, zu einer Mittelebene spiegelsymmetrisch angeordnet sind und der Abstand derjenigen Leiterabschnitte zueinander, die auf jeder Seite der Mittelebene parallel zu der Mittelebene verlaufen, in Richtung zu der Mittelebene zunimmt. Der Abstand zwischen den Leiterabschnitten, die sich über die Mittelebene hinweg am nächsten gegenüberliegen, kann am größten sein. Die Ecken der Mäanderkehren können abgerundet ausgebildet sein. Das Heizelement kann derart ausgebildet sein, dass ein Einschaltstrom des Heizelements 2 A nicht überschreitet. Der Festelektrolyt kann aus Schichten ausgebildet sein, die Zirkoniumdioxid enthalten.
Durch die besonderen Abmessungen des erfindungsgemäßen Sensorelements weist dieses eine geringere Baugröße auf. Dadurch ist ein geringer Platzbedarf für das Sensorelement erforderlich. Der höhere Stützgerüstanteil bewirkt einen höheren Widerstand und einen geringeren Stromverbrauch. Durch Anordnen der Mäanderkehren des Heizelements, dass diese enger beieinander liegen, wird eine höhere Erwärmung und geringerer Stromverbrauch bewirkt. Durch Ausbilden eines langen und schmalen Heizleiters mit den besonderen Abmessungen wird ein höherer Widerstand und ein geringerer Stromverbrauch erreicht. Durch das besondere Verhältnis der Widerstände in dem Zuleitungsbereich und dem Heizbereich fällt die Wärme im Bereich der Elektroden an und nicht im Bereich der Zuleitung.
Durch den geringeren Platzbedarf des erfindungsgemäßen Sensorelements, den höheren Widerstand, den geringeren Stromverbrauch und die konzentrierte Wärmeabgabe in dem Heizbereich des Heizelements wird in Synergie ein Sensorelement geschaffen, das durch ein Steuergerät für kleinmotorisierte Fahrzeuge, wie beispielsweise Motorräder mit einer Heizerendstufe von maximal 2 A, ausreichend erwärmt werden kann und dennoch eine hohe Lebensdauer und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit hat.
Das Heizelement kann so ausgebildet sein, dass eine Fertigungstoleranz des Widerstands in dem Heizbereich und/oder dem Zuleitungsbereich kleiner als 10 % ist.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Die Festelektrolytschichten können beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂) enthalten, insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können. Insbesondere Zirkoniumdioxid weist eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Unter einer Schicht ist im Rahmen der Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrecht erhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf den Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold und/oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Zusammen mit einem Festelektrolyten kann die Elektrode oder können die Elektroden eine Messzelle eines Sensorelements, wie beispielsweise einer Lambdasonde, bilden.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten und die Elektroden auf ihre Funktionstemperatur, also diejenige Temperatur, bei der das Sensorelement arbeitet und üblicherweise von 600 bis 1200 °C ist, zu erwärmen. Das Heizelement kann einen Zuleitungsbereich und einen Heizbereich aufweisen. Üblicherweise ist mindestens eine Elektrode auf dem oder in dem Festelektrolyten angeordnet. Das Heizelement ist dabei entweder durch den Festelektrolyten, eine Festelektrolytschicht oder eine zusätzliche Isolierung von der Elektrode getrennt. Unter einem Heizbereich des Heizelements ist dabei derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der mit der Elektrode in der Richtung dieses Schichtaufbaus überlappt. Somit ist der Heizbereich eines Heizelements derjenige Bereich, der mit der eigentlichen Messzelle der Lambdasonde überlappt. Ein seitlicher Überstand, d.h. ein Überstand in Breitenrichtung, des Heizbereichs über die Elektrode oder die Elektroden gehört dabei auch zum Heizbereich. So ist beispielsweise bei einem planaren Aufbau einer Lambdasonde die Überlappung in einer Richtung senkrecht zu dem planaren Aufbau zu sehen. Der Heizbereich befindet sich dabei üblicherweise in einem Endbereich des Festelektrolyten. Unter einem Zuleitungsbereich ist derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der dazu dient, die Energie zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektrode in den Heizbereich zu transportieren. Der Heizbereich lässt sich von dem Zuleitungsbereich beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstands unterscheiden, der in dem Heizbereich höher als in dem Zuleitungsbereich ist.
Unter einem Kaltwiderstand ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der bei 20 °C gemessene elektrische Widerstand zu verstehen. Gemäß dieser Definition ist unter dem Kalt-Gesamtwiderstand der elektrische Widerstand des gesamten Heizelements zu verstehen, der sich aus dem Widerstand des Heizbereichs und dem Widerstand des Zuleitungsbereichs zusammensetzt.
Unter einer mäanderförmigen Ausbildung eines Bauteils ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausbildung des Bauteils zu verstehen, die von einer Abfolge von Kehren gebildet wird. Unter einer Kehre ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt oder Bereich des Bauteils mit einer Richtungsänderung um im Wesentlichen 180° zu verstehen, wobei unter im Wesentlichen eine tolerierbare Abweichung von bis zu 30 ° von einer Richtungsänderung um 180° zu verstehen ist. Eine einzelne Kehre eines Mäanders wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als eine Mäanderkehre bezeichnet.
Unter dem Begriff Länge ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung zu verstehen, die sich auf einen quaderförmigen Gegenstand bezieht, dessen Seitenkanten in drei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen unterschiedliche Längen aufweisen, wobei Länge die Abmessung parallel zu einer der längsten Seitenkanten ist.
Unter dem Begriff Breite ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung zu verstehen, die sich auf einen quaderförmigen Gegenstand bezieht, dessen Seitenkanten in drei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen unterschiedliche Längen aufweisen, wobei Breite die Abmessung parallel zu einer der mittleren Seitenkanten ist.
Unter dem Begriff Höhe oder Dicke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung zu verstehen, die sich auf ein quaderförmigen Gegenstand bezieht, dessen Seitenkanten in drei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen unterschiedliche Längen aufweisen, wobei Höhe oder Dicke die Abmessung parallel zu einer der kürzesten Seitenkanten ist. Bei einem schichtförmigen Aufbau kann sich der Begriff Höhe beispielsweise auf eine Abmessung parallel zu einer Richtung beziehen, in der die einzelnen Schichten aufeinander oder übereinander angeordnet sind.
Unter dem Einschaltstrom ist Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Strom zu verstehen, der beginnend mit dem Einschalten des Sensorelements, wie beispielsweise bei einem Kaltstart des Motors, durch das Heizelement fließt, wobei das Heizelement Wärme entwickelt und die so entstehende Wärme den Festelektrolyten auf die Funktionstemperatur des Sensorelements erwärmt. Der durch das Heizelement während eines Betriebs des Sensorelements fließende Strom wird bei oder kurz vor Erreichen der Funktionstemperatur deutlich verringert, da die Temperatur nur noch bei der Funktionstemperatur gehalten werden muss.
Unter einer Fertigungstoleranz ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Zustand eines Systems zu verstehen, in dem eine von einer störenden Einwirkung verursachte, wie beispielsweise fertigungsbedingte, Abweichung vom Normalzustand keine Gegenregulierung oder Gegenmaßnahme notwendig macht oder zur Folge hat.
Insbesondere ist in diesem Sinne Fertigungstoleranz das Ausmaß der Abweichung einer Größe vom Normzustand oder Normmaß, das die Funktion eines Systems eben noch nicht gefährdet. Daher ist Fertigungstoleranz des Widerstands eine fertigungsbedingte Abweichung des Widerstands von dem bei der Herstellung vorgegebenen Sollwert, die nicht zu einer deutlichen und unakzeptablen Funktionsänderung führt. Widerstände für ein erfindungsgemäßes Heizelement innerhalb der Fertigungstoleranz weisen somit ein identisches Heizverhalten oder ein ähnliches Heizverhalten mit einer Abweichung auf, die nicht zu einer die Funktion des Sensorelements während eines Betriebs nicht so verändern, dass es zu Schäden, unvorhersehbarem Verhalten oder zur Unbrauchbarkeit kommt. Die Abweichung kann dabei in angrenzenden Abschnitten bzw. Gebieten des Heizleiters oder sogar auf Molekülebene der Bestandteile des Heizleiters voneinander, wie beispielsweise innerhalb eines Querschnittsflächenausschnitts des Heizleiters, sein. Daher ist unter einer Fertigungstoleranz des Widerstands von 10 % zu verstehen, dass es in dem Heizleiter Gebiete oder Stellen gibt, die von anderen Gebieten oder Stellen des Heizleiters um maximal 10 % über oder unter diesem Wert liegen. Wird als Sollwert für den Heizleiter beispielsweise in dem Heizbereich ein Widerstand von 8 Ohm vorgegeben, so gibt es in dem Heizbereich keine Stelle, die einen Widerstand kleiner 7,9 Ohm oder größer 8,1 Ohm aufweist.
Unter der Platinmetallgruppe sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß der allgemeinen Definition der Chemie die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 5. Periode, d.h. die leichten Platinmetalle Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), und der 6. Periode, d.h. die schweren Platinmetalle Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt), zu verstehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschreibt die Perkolation das Ausbilden von zusammenhängenden Gebieten (Clustern) bei zufallsbedingtem Besetzen von Strukturen (Gittern). Bei der Punktperkolation werden Gitterpunkte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit besetzt, bei der Kantenperkolation werden besetzte Punkte untereinander verbunden. Mit dem Ansteigen der Wahrscheinlichkeit, dass ein Feld des Gitters besetzt ist, bilden sich größere Cluster aus. Die Besetzungswahrscheinlichkeit ist als der Wert definiert, bei dem mindestens ein Cluster eine Größe erreicht, dass er sich durch das gesamte System erstreckt, also beispielsweise eine Ausdehnung auf einem zweidimensionalen Gitter von der rechten zur linken oder von der oberen zur unteren Seite hat. Man sagt: Der Cluster perkoliert durch das System. Dieser Wert der Besetzungswahrscheinlichkeit ist die so genannte Perkolationsschwelle.
Die Erfindung ist grundsätzlich für jede Brennkraftmaschine geeignet, die mindestens ein keramisches Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Abgases einer Brennkraftmaschine aufweist, insbesondere mindestens eine Lambdasonde und/oder mindestens einen NOx-Sensor und/oder mindestens einen HC-Sensor, wobei das keramische Sensorelement mindestens ein Heizelement zum Erwärmen des keramischen Sensorelements aufweist. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine einen Ottomotor und/oder einen Dieselmotor umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine auch einen Hybridantrieb umfassen, beispielsweise mit mindestens einem Ottomotor und/oder mindestens einem Dieselmotor und zusätzlich mindestens einem Elektromotor.
Das keramische Sensorelement kann insbesondere eine Lambdasonde sein oder eine Lambdasonde umfassen. Die Lambdasonde kann beispielsweise als Fingersonde oder als planare Lambdasonde ausgeführt werden, also beispielsweise als Lambdasonde mit schichtförmigem Aufbau. Beispielsweise lassen sich Sprungsonden und/oder Breitband-Lambdasonden realisieren. Alternativ oder zusätzlich kann das keramische Sensorelement auch mindestens eine andere Art eines keramischen Sensorelements umfassen, beispielsweise einen NOx-Sensor.
Das keramische Sensorelement kann mindestens eine elektrochemische Zelle umfassen. Unter einer elektrochemischen Zelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festkörperelektrolyten umfasst. Eine Temperatur des keramischen Sensorelements kann beispielsweise mittels einer Bestimmung eines Innenwiderstands der elektrochemischen Zelle bestimmt werden. Bei einem keramischen Sensorelement mit einer Nernstzelle kann die Temperatur des keramischen Sensorelements beispielsweise mittels einer Bestimmung des Innenwiderstands der Nernstzelle erfasst werden. Eine solche elektrochemische Zelle kann somit als Messzelle für das Sensorelement dienen.
Die Beheizung des keramischen Sensorelements und/oder die Energieversorgung des Heizelements können mittels einer elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise der Batterie in einem Fahrzeug, erfolgen.
Das erfindungsgemäße Heizelement unterscheidet sich grundsätzlich von einem Heizelement für Lambdasonden für Kraftfahrzeuge. Das Heizelement kann insbesondere grundsätzlich als co-gesinterte oder nachträglich aufgesinterte Platinmetallgruppen-Struktur realisiert werden. Insbesondere ist das Heizelement ein schwaches Heizelement zur Überbrückung von kalten Betriebszuständen, wie beispielsweise während eines Leerlaufs, mit einer Leistungsaufnahme von maximal 5 W, während bei Lambdasonden für Kraftfahrzeuge mehr als 7 W üblich sind. Der Einschaltstrom überschreitet vorzugsweise 2 A nicht, um die Anforderung an ein Steuergerät für das Sensorelement gering zu halten. Ein Anspringverhalten der Sonde von bis zu 30 Sekunden ist für Abgassonden für kleinmotorisierte Fahrzeuge unproblematisch, da der Großteil der Schadstoffmenge hier nicht in der Startphase, sondern innerhalb des entsprechenden Fahrzyklus gebildet wird. Der Einsatz von Metallen der Platinmetallgruppe für die Struktur des Heizelements ist wegen der hohen thermischen Belastung durch heiße Abgase, die bei Volllast bis ungefähr 1000 °C betragen können, erforderlich. Das Heizelement wird insbesondere aus Platin-Cermet ausgebildet und kann von der Materialzusammensetzung dem Stand der Technik entsprechen, wird aber mit einem hohen Stützgerüstanteil und dünnen Mäander- und Zuleitungsstrukturen beispielsweise auf einen Gesamt-Kaltwiderstand von 8 Ohm bis 20 Ohm ausgelegt. Es reicht dabei aus, die Heizleistung so auszulegen, dass bei Eigenbeheizung in kalter Umgebungstemperatur, d.h. bei Temperaturen von –20 °C bis –40 °C, eine Sensorelementtemperatur von maximal 750 °C erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Sensorelement weist eine geringe Baugröße auf. Insbesondere wird ein Sensorelement mit einer maximalen Länge von 35 mm und einer maximalen Breite von 4 mm vorgeschlagen, das somit einen geringen Platzbedarf erfordert. Das erfindungsgemäße Sensorelement weist ein integriertes Heizelement auf, dessen Kaltwiderstand in dem Heizbereich deutlich höher als in dem Zuleitungsbereich ist. Dadurch wird die zum Beheizen des Festelektrolyten erforderliche Wärme in dem Heizbereich und nicht oder nur zu einem geringen Anteil in dem Zuleitungsbereich abgegeben. Das Heizelement weist insbesondere einen minimalen Kaltwiderstand bei 20 °C von 8 bis 20 Ohm und eine Leistungsaufnahme von 5 W bei Beaufschlagung einer Betriebsspannung von 13 V auf. Das Heizelement wird dabei so ausgelegt, dass der größte Teil des Widerstands im Mäander liegt. Dazu wird beispielsweise bei einem Kaltwiderstand von 10,5 Ohm die Zuleitung auf 1,0 Ohm ausgelegt und der Mäander auf 8 Ohm. Dies ergibt einen Heißwiderstand von 34 Ohm, der sich aus 2 Ohm Zuleitung und 32 Ohm Mäander zusammensetzt. Dies begrenzt die Leistung auf 5 W bei 13 V. Die eingebrachte Leistung wird daher fast vollständig, d.h. bis zu 94 %, im Mäander umgesetzt. Der hohe Mäanderwiderstand wird durch eine geringe Schichtdicke von maximal 8 µm und eine geringe Leiterbahnbreite von 200 µm realisiert. Der Heizleiter des Heizelements wird insbesondere lang und schmal ausgelegt, so dass ein hoher Widerstand und ein geringer Stromverbrauch des Heizelements erzielt wird. Dabei wird das Verhältnis so ausgelegt, dass für Mäanderdicke und Mäanderbreite die relative Verdickungsschwankung gleichermaßen klein ist, d.h. unter 10 %. Für eine Schichtdickenstreuung innerhalb des Heizelements von 1 µm darf daher die minimale Schichtdicke 10 µm sein, für eine seitliche Dickenschwankung des Heizelements von 20 µm darf die minimale Breite 200 µm nicht unterschreiten.
Vorzugsweise wird eine zusätzliche Mäanderkehre eingebaut und die gesamte Länge des Heizelements beträgt 15 mm. Vorzugsweise werden die äußeren Mäanderkehren näher zusammengelegt, um durch die Erwärmung einen hohen Mäander-Heißwiderstand und geringen Stromverbrauch zu erzielen.
Die Mäanderpaste kann mit einem höheren Aluminiumoxid-Stützgerüstanteil von 25 Vol.-% versehen werden, um durch den höheren Widerstand die Heizleistung zu konzentrieren und den Stromverbrauch zu senken. Auch hier darf die relative Widerstandsschwankung durch lokale Häufungen des Stützgerüsts nicht größer als 10 % sein. Daher ist ein extrem feines Aluminiumoxidpulver, bei dem mindestens 50 % der Pulverpartikel einen Körnerdurchmesser von kleiner 500 nm aufweisen, zu verwenden. Dieses wird vorzugsweise vor der Pastenverarbeitung in einem Trockenmahlschritt mit dem Platin vermahlen, damit es nicht zu einer Agglomeration des Aluminiumoxidpulvers kommt. Dies würde lokale Widerstandszentren verursachen, die dann zu lokalen Hot-Spots beim eingeschalteten Heizelement werden, die der Ausgangspunkt für die Heizelementalterung sind.
Durch die besonderen Abmessungen des erfindungsgemäßen Sensorelements weist dieses eine geringere Baugröße auf. Dadurch ist ein geringerer Platzbedarf für das Sensorelement erforderlich. Der höhere Stützgerüstanteil bewirkt einen höheren Widerstand und einen geringeren Stromverbrauch. Durch Anordnen der Mäanderkehren des Heizelements, dass diese enger beieinander liegen, wird eine höhere Erwärmung und geringere Stromverbrauch bewirkt. Durch Ausbilden eines langen und schmalen Heizleiters mit den besonderen Abmessungen wird ein höherer Widerstand und ein geringerer Stromverbrauch erreicht. Durch das besondere Verhältnis der Widerstände in dem Zuleitungsbereich und dem Heizbereich fällt die Wärme im Bereich der Elektroden an und nicht im Bereich der Zuleitung.
Durch den geringeren Platzbedarf des erfindungsgemäßen Sensorelements, den höheren Widerstand, den geringeren Stromverbrauch und die konzentrierte Wärmeabgabe in dem Heizbereich des Heizelements wird ein Sensorelement geschaffen, das durch ein Steuergerät für kleinmotorisierte Fahrzeuge, wie beispielsweise Motorräder mit einer Heizerendstufe von maximal 2 A, ausreichend erwärmt werden kann und dennoch eine hohe Lebensdauer und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit hat.
Außerdem wird die lokale Widerstandsschwankung verkleinert, indem der Stützgerüstgehalt 3 Vol.-% unterhalb der Perkolationsschwelle ist, wo die Abhängigkeit vom Stützgerüstgehalt extrem groß ist. Dadurch lässt sich der Stromverbrauch aufgrund der geringeren lokalen Widerstandsschwankungen ebenfalls senken.
Vorzugsweise wird die Mäanderpaste mit 20 Vol.-% Palladium oder einem anderen Metall der Platinmetallgruppe legiert. Auch hier ist die Gleichmäßigkeit der Legierung durch Einsatz einer intensiven Vormahlung so gut auszulegen, dass die lokale Widerstandsschwankung unter 10 % bleibt. Vorzugsweise wird dazu ein geringer Anteil von bis zu 3 % einer Sinterhilfe wie Phosphor, Silizium, Bismut oder eine dicht sinternde ternäre Legierung verwendet, wie sie beispielsweise in der DE 198 34 276 A1 verwendet wird. Dadurch wird insbesondere der Kaltwiderstand erhöht und damit die Anfangsleistung abgesenkt.
Vorzugsweise erfolgt die Vormahlung von Platin, Metallen der Platinmetallgruppe und des Stützgerüsts in einem gemeinsamen Prozessschritt. Die Heizerisolation und die Zuleitung können dicht sinternd ausgelegt werden, um eine Verdampfung des Palladiums und damit einen Kurzschluss der Isolation zu vermeiden. Die Zuleitung kann auch höherohmig als 3 Ohm ausgelegt werden, um den Platineinsatz und damit die Kosten des Heizelements weiter zu reduzieren. Vorzugsweise werden die Ecken des Layouts rund gestaltet, um lokale Widerstandsmaxima, die kälter bleiben, zu vermindern. Vorzugsweise wird das Heizelement im 45°-Schrägdruckverfahren hergestellt, um die Siebdruckparameter und Pastenabhängigkeit und damit die Widerstandsschwankungen zwischen quer und längs im Layout liegenden Mäanderästen zu verkleinern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements
2 eine Draufsicht auf ein Heizelement eines Sensorelements einer ersten Ausführungsform,
3 eine Draufsicht auf ein Heizelement eines Sensorelements einer zweiten Ausführungsform,
4 eine Draufsicht auf ein Heizelement eines Sensorelements einer dritten Ausführungsform,
5 eine Draufsicht auf ein Heizelement eines Sensorelements einer vierten Ausführungsform,
6 eine schematische Draufsicht auf ein beispielhaftes Heizelement,
7 eine Temperaturverteilung des beispielhaften Heizelements,
8 eine Darstellung einer Spannungsdifferenz eines Heizelements mit einem Kaltwiderstand von 3 Ohm im Heizbereich,
9 eine Darstellung der Stromdichte des Heizelements mit einem Kaltwiderstand von 3 Ohm im Heizbereich,
10 eine Darstellung einer Spannungsdifferenz eines Heizelements mit einem Kaltwiderstand von 9 Ohm im Heizbereich, und
11 eine Darstellung der Stromdichte des Heizelements mit einem Kaltwiderstand von 9 Ohm im Heizbereich.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Gases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoff und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik einsetzbar, insbesondere im Bereich von kleinmotorisierten Fahrzeugen, wie beispielsweise Motorrädern, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eines Motorrads handeln kann und bei dem Gas insbesondere um ein Abgas. Das Sensorelement 10 weist daher beispielsweise eine Länge, d.h. eine Abmessung in der Blickrichtung der 1 von maximal 50 mm, bevorzugt maximal 45 mm und besonders bevorzugt maximal 35 mm und eine Breite, d.h. eine Abmessung von links nach rechts oder umgekehrt der 1 von maximal 10 mm, bevorzugt maximal 8 mm und besonders bevorzugt maximal 4 mm, auf. Bei dem Beispiel der 1 weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 4 mm auf. Das Sensorelement 10 weist somit eine geringe Baugröße auf. Dadurch erfordert das Sensorelement 10 einen geringeren Platzbedarf und kann beispielsweise in einem Motor eines Motorrads integriert werden.
Das Sensorelement 10 wird als exemplarischer Bestandteil einer planaren Lambdasonde beschrieben, ist aber nicht auf diese Art an Lambdasonde beschränkt, sondern kann auch als Fingersonde ausgeführt sein. Daher ist die Querschnittsdarstellung der 1 eine Ansicht in einer Längsrichtung des Sensorelements 10 gesehen. Das Sensorelement 10 weist einen Festelektrolyten 12, der als Festelektrolytschicht ausgebildet sein kann oder Festelektrolytschichten aufweisen kann und Zirkoniumdioxid, insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid, enthält, eine erste Elektrode 14, eine zweite Elektrode 16, ein Heizelement 18 und einen Referenzkanal 20 auf. Das Zirkoniumdioxid des Festelektrolyten 12 weist eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Bei Lambdasonden kann eine gepumpte Referenz problematisch für kleinmotorisierte Fahrzeuge sein, weshalb bei dem gezeigten Beispiel eine Sondenauslegung mit Luftreferenz und entsprechender Auswirkung auf einen geringen Heizleistungsbedarf stark bevorzugt wird. Eine hohe Heizleistung ist bei den kleinmotorisierten Fahrzeugabgassonden auch nicht erforderlich. Auf nähere Details bezüglich der Leistungsaufnahme des Heizelements wird später ausführlicher eingegangen.
Das Heizelement 18 ist zum Erwärmen der Elektroden 14, 16 und des Festelektrolyten eingerichtet. Die Elektroden 14, 16 sind über den Festelektrolyten 12 miteinander verbunden und können eine Nernstzelle und/oder elektrochemische Zelle bilden. Es können auch weitere Funktionsschichten vorgesehen werden, beispielsweise weitere Elektroden, eine Leiterbahn, eine Diffusionsbarriere, ein Diffusionsspalt, ein weiteres Heizelement und/oder eine Sauerstoff-Pumpzelle. Diese Funktionsschichten können in den Festelektrolyten eingebaut oder integriert sein. Die optionale Nernstzelle in der Festelektrolytschicht ist vorzugsweise vorgesehen, um in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt zu messen, um daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so regeln zu können, dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere auf dessen Heizelement 18. Bei dem hier vorliegenden Beispiel ist das Sensorelement 10 der Lambdasonde beispielsweise ein Sensorelement 10 einer planaren Lambdasonde. Wie gezeigt ist, weist das Heizelement 18 einen Heizleiter 22 mit einem Zuleitungsbereich 24, der sich bei der Darstellung in 2 rechts im Bild befindet, und mit einem Heizbereich 26, der sich bei der Darstellung der 2 links im Bild befindet, auf. Das Heizelement 18 kann insbesondere isoliert in dem Festelektrolyten 12 integriert sein und gewährleistet die Funktion der Lambdasonde selbst bei niedrigen Abgastemperaturen. Wie insbesondere gezeigt ist, ist der Heizbereich 26 des Heizelements 18 mäanderförmig ausgebildet und weist drei Mäanderkehren 28 auf. Die Ecken der Mäanderkehren 28 können abgerundet ausgebildet werden.
Insbesondere ist das Heizelement 18 derart ausgelegt, dass der Zuleitungsbereich 24 einen Kaltwiderstand aufweist, der nicht mehr als 30 % eines Kalt-Gesamtwiderstands des Heizelements 18 beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 25 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 16 %. Beispielsweise beträgt der Kaltwiderstand des Zuleitungsbereichs 24 nicht mehr als 12 % des Kalt-Gesamtwiderstands des Heizelements 18. Der Kalt-Gesamtwiderstand des Heizelements 18 gemäß der ersten Ausführungsform kann für eine Anwendung des Sensorelements 10 bei einem Motorrad beispielsweise 9 Ohm betragen. Insbesondere weist der Zuleitungsbereich 24 in diesem Beispiels einen Widerstand von 1 Ohm und der Heizbereich 26 einen Widerstand von 8 Ohm auf. Wird ein Strom durch den Heizleiter 22 des Heizelements 26 geleitet, erwärmt sich somit der Heizbereich 26 stärker als der Zuleitungsbereich 24, wobei sich der Zuleitungsbereich nur geringfügig erwärmt. Das Heizelement 18 ist aus einer Legierung, die zumindest ein Element der Platinmetallgruppe enthält, ausgebildet. So kann die Legierung für das Heizelement 18 beispielsweise Platin enthalten. Die Verwendung von Elementen der Platinmetallgruppe für das Heizelement 18 kann wegen einer hohen thermischen Belastung durch heiße Abgase, die bei Volllast eine Temperatur von ungefähr 1000 °C aufweisen können, erforderlich sein. Um den Platineinsatz und somit die Herstellungskosten des Sensorelements zu verringern, ist es jedoch ebenso möglich, dass der Zuleitungsbereich 24 auch einen höheren Kaltwiderstand aufweist, wie beispielsweise 3 Ohm. Der Kalt-Gesamtwiderstand des Heizelements 18 kann dann 11 Ohm sein. Die Verwendung eines Platin-Cermets oder eines Cermets mit einem anderen Element der Platinmetallgruppe ist ebenso möglich. Die Metalllegierung enthält des weiteren Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, mit 20 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 22 bis 35 Vol.-% und noch bevorzugter 25 bis 30 Vol.-%, beispielsweise 27 Vol.-%, wodurch ein höherer Stützgerüstanteil für das Heizelement 18 realisiert wird. Dadurch wird der Widerstand höher und der Stromverbrauch geringer. Das Heizelement 18 ist somit so ausgebildet, dass es zur Überbrückung von kalten Betriebszuständen, wie beispielsweise während eines Leerlaufs, bei einer Betriebsspannung von 13 V eine Leistungsaufnahme von maximal 5 W, bevorzugt maximal 4 W und besonders bevorzugt maximal 3,5 W, aufweist. Zum Vergleich sei erwähnt, dass bei Lambdasonden für Kraftfahrzeuge mehr als 7 W üblich sind. Der Strom zum Aktivieren des Heizelements 18, d.h. der sogenannten Einschaltstrom, überschreitet 2 A vorzugsweise nicht, um die Anforderung an ein nicht gezeigtes Steuergerät hinsichtlich der Auslegung einer Heizerendstufe und der Abführung der Verlustwärme für das Sensorelement 10 gering zu halten. Der Heizleiter 22 kann in dem Heizbereich 26 eine geringere Dicke und eine geringere Breite als in dem Zuleitungsbereich 24 aufweisen, wie beispielsweise eine Dicke von maximal 50 % der Dicke des Zuleitungsbereichs 24 und/oder eine Breite von maximal 50 % der Breite des Zuleitungsbereichs 24. Der Heizleiter 22 kann in dem Heizbereich 26 beispielsweise eine Dicke von maximal 16 µm, bevorzugt maximal 12 µm und besonders bevorzugt maximal 8 µm, und eine Breite von maximal 300 µm, bevorzugt maximal 250 µm und besonders bevorzugt maximal 200 µm, aufweisen, beispielsweise eine Dicke von 8 µm und eine Breite von 200 µm. Insgesamt ist der Heizleiter 22 verhältnismäßig lang und schmal ausgebildet, wodurch der Widerstand höher und der Stromverbrauch geringer wird.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere auf dessen Heizelement 18. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen.
Das Sensorelement 10 weist ebenfalls ein Heizelement 18 auf. Das Heizelement 18 weist im Vergleich zu dem Heizelement 18 der ersten Ausführungsform in dem Heizbereich 26 zwei zusätzliche Mäanderkehren 28 auf. Das Heizelement 18 weist somit in dem Heizbereich 26 insgesamt fünf Mäanderkehren 28 auf. Der Heizleiter 22 weist in dem Heizbereich 26 eine geringere Dicke und Breite als bei der ersten Ausführungsform auf. Der Heizleiter 22 kann in dem Heizbereich 26 beispielsweise eine Dicke von maximal 10 µm, bevorzugt maximal 8 µm, und eine Breite von maximal 200 µm, bevorzugt maximal 175 µm, aufweisen, beispielsweise eine Dicke von 7 µm und eine Breite von 170 µm. Der Heizleiter 22 kann beispielsweise 15 mm lang ausgebildet sein. Dadurch kann ein höherer Heißwiderstand als bei der ersten Ausführungsform, d.h. ein Widerstand gemessen bei einer Temperatur von 750 °C, erreicht werden, der sich beispielsweise aus einem Widerstand von 2 Ohm in dem Zuleitungsbereich 24 und aus 32 Ohm in dem Heizbereich 26 zusammensetzt. Durch die spezielle Auslegung des Gesamtwiderstands begrenzt dieser aber ebenso wie bei der ersten Ausführungsform die Leistungsaufnahme auf maximal 5 W bei 13 V angelegter Betriebsspannung.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere auf dessen Heizelement 18. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen.
Bei dem Heizelement 18 sind im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform der 3 die äußeren Mäanderkehren 28 näher zusammengelegt, um durch die Erwärmung einen noch höheren Heißwiderstand und geringeren Stromverbrauch zu erzielen. Mit anderen Worten sind die Leiterabschnitte, die die Mäanderkehren 28 bilden, in dem Heizbereich 26 zu einer gedachten Mittelebene in der Längsrichtung spiegelsymmetrisch angeordnet, wobei der Abstand derjenigen Leiterabschnitte 30 zueinander, die auf jeder Seite der Mittelebene parallel zu der Mittelebene verlaufen, in Richtung zu der Mittelebene zunimmt. Der Abstand zwischen den Leiterabschnitten 30, die sich über die Mittelebene hinweg am nächsten gegenüberliegen, kann am größten sein.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere auf dessen Heizelement 18. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten und dritten Ausführungsform beschrieben, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen.
Bei dem Heizelement 18 sind im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform der 3 die äußeren Mäanderkehren 28 näher zusammengelegt, um durch die Erwärmung einen noch höheren Heißwiderstand und geringeren Stromverbrauch zu erzielen. Mit anderen Worten sind die Leiterabschnitte, die die Mäanderkehren 28 bilden, in dem Heizbereich 26 zu einer gedachten Mittelebene in der Längsrichtung spiegelsymmetrisch angeordnet, wobei der Abstand derjenigen Leiterabschnitte 30 zueinander, die auf jeder Seite der Mittelebene parallel zu der Mittelebene verlaufen, in Richtung zu der Mittelebene zunimmt. Der Abstand zwischen den Leiterabschnitten 30, die sich über die Mittelebene hinweg am nächsten gegenüberliegen, kann am größten sein. Im Vergleich zu der dritten Ausführungsform ist der Abstand zwischen den jeweiligen zwei Leiterabschnitten 30 mit dem größten Abstand zu der Mittelebene auf jeder Seite der Mittelebene kleiner. Im Vergleich zu der dritten Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Leiterabschnitten 30, die sich über die Mittelebene hinweg am nächsten gegenüberliegen, größer.
6 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10 mit einem integrierten Heizelement 18, das einen Zuleitungsbereich 24 und einen Heizbereich 26 aufweist. Die Darstellung der 6 dient zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorteile und Effekte und ist daher nicht auf die dargestellten drei Mäanderkehren 28 in dem Heizbereich 26 des Heizelements 18 beschränkt, sondern ist exemplarisch für alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere weist das Heizelement 18 zwei Anschlusskontakte 32 auf, die im rechten Bildrand zu sehen sind, und für den Anschluss an eine nicht gezeigte elektrische Energiequelle vorgesehen sind. An die Anschlusskontakte 32 kann eine Betriebsspannung von 13 V angelegt werden, um den Festelektrolyten 12 und die Elektroden 14, 16 zu erwärmen. 6 zeigt auch, dass der Heizleiter 22 in dem Zuleitungsbereich 24 breiter ausgebildet ist als in dem Heizbereich 26.
7 zeigt die Temperaturverteilung des Heizelements 18 der 6 im Bereich der Elektrode 14 und ihrer Anordnung an dem Festelektrolyten 12 im Betriebszustand, d.h. erwärmten Zustand. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, weist die Elektrode 14 zwei Anschlusskontakte 34 auf, die im rechten Bildrand zu sehen sind, und für den Anschluss an eine nicht gezeigte elektrische Energiequelle vorgesehen sind. Es sei erwähnt, dass sich die Anschlusskontakte 32 des Heizelements 18 und die Anschlusskontakte 34 der Elektrode 14 nicht überlappen. Ebenso kann eine Elektrodenzuleitung 36 der Elektrode 14 so angeordnet sein, dass sich die Elektrodenzuleitung, in eine Ebene des Heizelements 18 projiziert, zwischen den Leiterabschnitten des Zuleitungsbereichs 24 befindet. Wie 7 zeigt, ist die Temperatur in dem Heizbereich 26, der mit der Elektrode 14 überlappt, deutlich höher als in dem Zuleitungsbereich 24. Da Somit wird der Festelektrolyt 12 im Bereich der Elektroden 14, 16 schneller bzw. stärker als in den übrigen Bereichen erwärmt, so dass der Festelektrolyt 12 und die Elektroden 14, 16 in dem Heizbereich 26 schneller auf ihre Betriebstemperatur kommen können.
8 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlusskontakten 32 des Heizelements 18 in mV in einer Draufsicht auf das Heizelement 18 während eines Betriebs. Wie die Darstellung zeigt, wird eine Betriebsspannung von 10 V bzw. 10000 mV zwischen dem im unteren Bildbereich gezeigten Anschlusskontakt 32 und dem im oberen Bildbereich gezeigten Anschlusskontakt 32 angelegt. Insbesondere ist dabei das Heizelement 18 derart ausgelegt, dass es in dem Heizbereich einen Kaltwiderstand von ungefähr 2,7 Ohm aufweist. Die für dieses Beispiel angegebene Spannungsdifferenz von 10 V soll zeigen, dass das Sensorelement 10 auch in einem gealterten Zustand funktioniert. So beträgt die angelegte Betriebsspannung bei einer neuen Batterie für ein Kraftfahrzeug oder Motorrad beispielsweise 12 V bis 13 V. Mit zunehmender Alterung der Batterie kann die Spannung aber beispielsweise auf 10 V absinken. Dennoch muss auch in diesem Zustand das Sensorelement 10 zuverlässig seine Funktion erfüllen können. Dies wird insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Heizelements 18 erreicht und soll daher entsprechend auch in 8 dargestellt werden.
9 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Stromdichte zwischen den Anschlusskontakten 32 des Heizelements 18 in A/mm² während eines Betriebs des Heizelements 18 mit der angelegten Betriebsspannung der 8. Die Flächengröße für die Angabe der Stromdichte bezieht sich dabei auf eine Querschnittsfläche des Heizleiters 22. Wie der Darstellung der 9 zu entnehmen ist, ist die Stromdichte in dem mäanderförmigen Heizbereich 26 am höchsten und nimmt zu dem Zuleitungsbereich 24 hin stark ab. In dem Zuleitungsbereich 24 selbst ist die Stromdichte konstant. Die Werte der Stromdichte dieses Beispiels sind dabei der Skala links im Bild der 9 zu entnehmen.
10 zeigt eine andere beispielhafte Verteilung der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlusskontakten 32 des Heizelements 18 in mV in einer Draufsicht auf das Heizelement 18 während eines Betriebs. Wie die Darstellung zeigt, wird eine Betriebsspannung von 10 V bzw. 10000 mV zwischen dem im unteren Bildbereich gezeigten Anschlusskontakt 32 und dem im oberen Bildbereich gezeigten Anschlusskontakt 32 angelegt. Insbesondere ist dabei das Heizelement 18 derart ausgelegt, dass es in dem Heizbereich einen Kaltwiderstand von ungefähr 8 Ohm aufweist. Die Verteilung der Spannungsdifferenz während des Betriebs des Heizelements 18 ist identisch mit der Verteilung des Beispiels der 8 und ändert sich somit nicht durch eine Änderung des Widerstands. Die für dieses Beispiel angegebene Spannungsdifferenz von 10 V soll zeigen, dass das Sensorelement 10 auch in einem gealterten Zustand funktioniert. So beträgt die angelegte Betriebsspannung bei einer neuen Batterie für ein Kraftfahrzeug oder Motorrad beispielsweise 12 V bis 13 V. Mit zunehmender Alterung der Batterie kann die Spannung aber beispielsweise auf 10 V absinken. Dennoch muss auch in diesem Zustand das Sensorelement 10 zuverlässig seine Funktion erfüllen können. Dies wird insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Heizelements 18 erreicht.
11 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Stromdichte zwischen den Anschlusskontakten 32 des Heizelements 18 in A/mm² während eines Betriebs des Heizelements 18 mit der angelegten Betriebsspannung der 10. Die Flächengröße für die Angabe der Stromdichte bezieht sich dabei auf eine Querschnittsfläche des Heizleiters 22. Wie der Darstellung der 11 zu entnehmen ist, ist die Stromdichte in dem mäanderförmigen Heizbereich 26 am höchsten und nimmt zu dem Zuleitungsbereich 24 hin stark ab. In dem Zuleitungsbereich 24 selbst ist die Stromdichte konstant. Die Werte der Stromdichte dieses Beispiels sind dabei der Skala links im Bild der 11 zu entnehmen. Verglichen mit der Stromdichte des Heizelements 18 der 9 ist diese bei dem Beispiel der 11 deutlich geringer. Daher wird sich der Heizbereich 26 des Heizelements 18 der 11 stärker erwärmen als das Heizelement 18 der 9.
Für die Herstellung eines Sensorelements, wie beispielsweise einer planaren Lambdasonde, sind verschiedene Herstellungsverfahren bekannt, wie beispielsweise die Folien-, die Dünnschicht- oder die Dickschichttechnik. Daher wird auf diese nicht näher eingegangen, sondern es werden die Abweichungen von den herkömmlichen Herstellungsverfahren für Lambdasonden aus dem Automobil- oder Nutzfahrzeugbereich beschrieben, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen kompakten Sensorelemente zu beachten sind, um die genannten Vorteile zu erzielen. Insbesondere wird nachfolgend auf die Besonderheiten bei der Herstellung des Heizelements bzw. dessen Integration in ein erfindungsgemäßes Sensorelement eingegangen. Es wird explizit betont, dass alle nachstehend beschriebenen Details für alle zuvor beschriebenen Beispiele gelten und bei diesen anwendbar sind.
Das Heizelement 18 kann im bekannten Schichtaufbau durch beispielsweise ein Siebdruckverfahren hergestellt werden, wobei für den Heizbereich 26, insbesondere den mäanderförmigen Heizbereich, eine Ausgangsmasse, wie beispielsweise eine Paste, mit einem höheren Aluminiumoxid-Stützgerüstanteil als bei Pasten für Heizbereiche für Sensorelemente für Kraftfahrzeuge verwendet wird. Der Anteil an Aluminiumoxid in der Paste kann von 20 bis 40 Vol.-%, bevorzugt von 22 bis 35 Vol.-% und noch bevorzugter von 25 bis 30 Vol.-%, betragen, beispielsweise 25 Vol.-%. Dadurch wird ein höherer Widerstand vorgesehen. Die Paste kann so aufgetragen werden, dass dieser höhere Widerstand in bestimmten Bereichen des Heizelements 18 vorgesehen wird, insbesondere in dem Heizbereich 26. Durch den höheren Widerstand in dem Heizbereich 26 kann die Heizleistung auf bestimmte Bereiche des Heizelements 18 konzentriert werden, in diesem Beispiel den Heizbereich 26. Dadurch kann beispielsweise die Heizleistung des Heizelements 18 fast vollständig, wie beispielsweise zu 94 % in dem Heizbereich 26 abgegeben werden, während der Zuleitungsbereich 24 nur geringfügig erwärmt wird. An dieser Stelle sei erwähnt, dass Aluminiumoxid elektrisch isolierend wirkt, so dass mit zunehmendem Anteil an Aluminiumoxid der Widerstand ansteigt und der Stromverbrauch des Heizelements 18 insgesamt abnimmt.
Um eine Fertigungstoleranz des Widerstands in dem Heizleiter durch lokale Häufungen des Aluminiumoxids nicht größer als 10% werden zu lassen, kann insbesondere ein sehr feines Aluminiumoxidpulver verwendet werden. Unter einem sehr feinen Aluminiumoxidpulver ist dabei ein Pulver zu verstehen, bei dem mindestens 50 % der Partikel einen Durchmesser kleiner 500 nm aufweisen. Dazu wird das Aluminiumoxidpulver vorzugsweise vor der Pastenverarbeitung in einem Trockenmahlschritt mit Platin oder einem anderen Metall der oben genannten Platinmetallgruppe vermahlen, damit es nicht zu einer Agglomeration des Aluminiumoxidpulvers kommt. Die Vormahlung von Platin, einem anderen Metall der Platinmetallgruppe und dem Stützgerüst, wie beispielsweise dem Aluminiumoxid, kann in einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen, um die Durchmischung bzw. die Verteilung dieser Bestandteile zu erhöhen. Insbesondere wird das Heizelement 18 derart ausgelegt, dass die lokale Widerstandsschwankung, d.h. die Fertigungstoleranz der Widerstände, verkleinert wird, indem der Anteil an Aluminiumoxid in der Paste so gewählt wird, dass er 3 Vol.-% unterhalb der Perkolationsschwelle liegt, bei der die Abhängigkeit vom Anteil an Aluminiumoxid extrem groß ist. Dadurch lässt sich der Stromverbrauch senken.
Bei dem genannten Beispiel beschreibt die Perkolationsschwelle die Perkolationswahrscheinlichkeit, mit der zumindest ein sich in der Breiten- oder Dickenrichtung durch den Heizleiter durchgängig erstreckender oder verbundener Aluminiumoxidbereich oder -cluster gebildet wird oder mehrere solche miteinander verbundene Aluminiumoxidbereiche oder -cluster gebildet werden. Da wie bereits erwähnt das Aluminiumoxid elektrisch isolierend wirkt, würde das Erreichen oder Überschreiten der Perkolationsschwelle zu einem extrem starken Anstieg des Widerstands führen. Dies könnte während des Betriebs des Heizelements 18 zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Heizleistung und/oder sogar zu einer zumindest abschnittsweisen Überhitzung der Elektroden 14, 16 und/oder des Festelektrolyten 12 führen. Ohne Einsatz eines derartigen feinen Aluminiumoxidpulvers könnten also lokale Widerstandszentren verursacht werden, die während eines Betriebs zu den sogenannten Hot Spots werden, also Punkten mit sehr hoher Temperatur, die der Ausgangspunkt für die Alterung des Heizelements 18 sind. Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass alternativ oder zusätzlich zu dem Aluminiumoxid auch Zirkoniumdioxid verwendet werden kann.
Die Paste für die Herstellung des Heizelements kann mit 20 Vol.-% Palladium oder einem anderen Metall der Platinmetallgruppe legiert werden. Dabei ist auf eine Gleichmäßigkeit der Legierung zu achten, die beispielsweise durch Einsatz einer intensiven Vormahlung erreicht werden kann. Eine weitere Erhöhung des Kaltwiderstand lässt sich beispielsweise durch einen geringen Anteil von maximal 3 Vol.-% einer Sinterhilfe erreichen, wie beispielsweise Phosphor (P), Silicium (Si), Bismut (Bi) und/oder eine dicht sinternde ternäre Legierung, d.h. eine Legierung aus drei Elementen, wie sie beispielsweise in der DE 198 34 276 A1 offenbart wird. Dadurch lässt sich der Kaltwiderstand erhöhen und eine anfängliche Leistungsaufnahme absenken, d.h. mit der gleichen elektrischen Leistung lässt sich eine höhere Heizleistung erzielen bzw. mit einer niedrigeren elektrischen Leistung lässt sich die gleiche Heizleistung erzielen. Durch eine dichtsinternde Auslegung der Heizelementisolierung und des Heizleiters 22 in dem Zuleitungsbereich 24 kann eine Verdampfung des Palladiums während des Sinterprozesses und somit ein Kurzschluss der Isolierung vermieden werden.
Der Zuleitungsbereich des Heizelements 18 kann auch höherohmig, wie beispielsweise 3 Ohm, anstelle der oben genannten 1 Ohm ausgelegt werden, um den Platineinsatz und damit die Kosten des Heizelements 18 weiter zu reduzieren. Das Heizelement 18 kann beispielsweise in zwei getrennten Druckschritten gefertigt werden, die nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden können, wobei zwei Pasten mit unterschiedlichen Anteilen an Aluminiumoxid verwendet werden, um die unterschiedlichen Widerstände des Zuleitungsbereichs 24 und des Heizbereichs 26 zu erzielen. So können beispielsweise der Heizbereich 26 und der Zuleitungsbereich 24 getrennt durch Siebdrucken auf den Festelektrolyten 12 gedruckt werden, wobei die Paste für den Heizbereich 26 einen höheren Anteil an Aluminiumoxid aufweist als die Paste für den Zuleitungsbereich 24. Insbesondere kann das Heizelement 18 im sogenannten 45°-Schrägdruckverfahren hergestellt werden, um die Siebdruckparameter und Pastenabhängigkeit und damit die Widerstandsschwankungen zwischen in Breitenrichtung des Sensorelements 10 und in Längsrichtung liegenden Leiterabschnitten des mäanderförmigen Heizbereichs 26 zu verkleinern. Durch eine Gestaltung des Heizelements 18, bei der Ecken des Designs, wie beispielsweise der Mäanderkehren 28, rund gestaltet werden, lassen sich Bereiche des Heizleiters 22 vermindern, die während eines Betriebs kälter bleiben.
Ein höherer Widerstand in dem Heizbereich 26 als in dem Zuleitungsbereich 24 lässt sich beispielsweise durch eine geringere Dicke und/oder Breite des Heizleiters 22 in dem Heizbereich 26 als in dem Zuleitungsbereich 24 erreichen. Dies gilt beispielsweise für die Erhöhung des Kalt-Gesamtwiderstands des Beispiels der 9 auf den Kalt- Gesamtwiderstand des Beispiels der 11. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Dicke und die Breite des Heizleiters 22 in dem Heizbereich 26 mit einer relativen Fertigungs-Fertigungstoleranz bzw. -abweichung von kleiner 10 % ausgebildet werden. Für eine Fertigungs-Fertigungstoleranz in der Dickenrichtung innerhalb des Heizelements 18 von maximal 1 µm darf daher die minimale Dicke 10 µm nicht unterschreiten und für eine Fertigungs-Fertigungstoleranz in der Breitenrichtung innerhalb des Heizelements 18 von maximal 20 µm darf die minimale Breite 200 µm nicht unterschreiten. Die genannten absoluten Werte für Fertigungs-Fertigungstoleranz sind als Maximalwerte aufzufassen, da die Dicke des Heizleiters 22 in dem Heizbereich 26 bevorzugt 10 µm und die Breite des Heizleiters 22 in dem Heizbereich 26 bevorzugt 200 µm nicht überschreitet.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das erfindungsgemäße Sensorelement 10 ein aus einem Cermet, insbesondere einem Platin-Cermet, hergestelltes Heizelement 18 aufweist, das mit dem Festelektrolyten 12 und den anderen Funktionsschichten gemeinsam gesintert werden kann. Für eine Anwendung bei kleineren Motoren, wie beispielsweise von Motorrädern, unterscheidet sich das Sensorelement 10 und insbesondere das Heizelement 18 von bekannten Sensorelementen für Automobile und Nutzfahrzeuge durch mindestens eines der folgenden Details. Die Querschnittsfläche des Heizleiters in dem Heizbereich und/oder dem Zuleitungsbereich ist geringer. Das Verhältnis der Widerstände des Heizbereichs und des Zuleitungsbereich zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements ist unterschiedlich, da der Zuleitungsbereich einen geringeren Anteil am Gesamtwiderstand einnimmt. Es werden mehr oder dünnere Mäanderkehren vorgesehen. Der Stützgerüstanteil aus Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumdioxid in dem Cermet, insbesondere dem Platin-Cermet, ist höher. Es werden weitere Metalle der Platinmetallgruppe in dem Cermet, insbesondere dem Platin-Cermet, vorgesehen.
Durch den geringeren Platzbedarf des erfindungsgemäßen Sensorelements 10, den höheren Widerstand, den geringeren Stromverbrauch und die konzentrierte Wärmeabgabe in dem Heizbereich 26 des Heizelements 18 wird ein Sensorelement 10 geschaffen, das durch ein Steuergerät für kleinmotorisierte Fahrzeuge, wie beispielsweise Motorräder mit einer Heizerendstufe von maximal 2 A, ausreichend erwärmt werden kann und dennoch eine hohe Lebensdauer und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit hat.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3538460 A1 [0005]
DE 19834276 A1 [0038, 0074]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]

Claims

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder zur Erfassung einer Temperatur des Gases, wobei das Sensorelement (10) umfasst: mindestens einen Festelektrolyten (12), mindestens eine auf dem oder in dem Festelektrolyten (12) angeordnete Elektrode (14, 16), und mindestens ein Heizelement (18) zum Beheizen des Festelektrolyten (12), wobei das Heizelement (18) mindestens einen Zuleitungsbereich (24) und einen Heizbereich (26) aufweist, wobei der Zuleitungsbereich (24) einen Kaltwiderstand aufweist, der nicht mehr als 30 %, vorzugsweise nicht mehr als 25 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 16 %, eines Kalt-Gesamtwiderstands des Heizelements (18) beträgt.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (18) einen Kalt-Gesamtwiderstand von 6 bis 22 Ohm und bevorzugt von 8 bis 20 Ohm aufweist, wobei das Sensorelement (10) eine Länge von maximal 50 mm, bevorzugt maximal 45 mm und besonders bevorzugt maximal 35 mm, und eine Breite von maximal 10 mm, bevorzugt maximal 8 mm und besonders bevorzugt maximal 4 mm, aufweist, beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 4 mm, wobei das Heizelement (18) einen Heizleiter (22) umfasst, der in dem Heizbereich (26) eine geringere Dicke und eine geringere Breite als in dem Zuleitungsbereich (24) aufweist, beispielsweise eine Dicke von maximal 50 % der Dicke des Zuleitungsbereich (24) und/oder eine Breite von maximal 50 % der Breite des Zuleitungsbereichs, wobei das Heizelement (18) aus einem Metall-Cermet oder Metalllegierung-Cermet hergestellt ist und das Metall oder zumindest ein Metall der Metalllegierung ausgewählt ist aus der Gruppe der Metalle der Platinmetallgruppe, wobei das Cermet des Metall- Cermets oder des Metalllegierung-Cermets Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid mit 20 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 22 bis 35 Vol.-% und noch bevorzugter 25 bis 30 Vol.-%, enthält, wobei der Heizleiter (22) in dem Heizbereich (26) mäanderförmig ausgebildet ist und mindestens fünf Mäanderkehren (28) umfasst.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Heizleiter (22) in dem Heizbereich (26) eine Dicke von maximal 16 µm, bevorzugt maximal 12 µm und besonders bevorzugt maximal 8 µm, und eine Breite von maximal 300 µm, bevorzugt maximal 250 µm und besonders bevorzugt maximal 200 µm, aufweist, beispielsweise eine Dicke von 8 µm und eine Breite von 200 µm.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) ein elektrisches Heizelement mit einer maximalen Leistungsaufnahme von maximal 5 W, bevorzugt maximal 4 W und besonders bevorzugt maximal 3,5 W, bei einer Betriebsspannung von 13 V ist, beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 5 W.
Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Heizleiter (22) in dem Heizbereich (26) derart mäanderförmig ausgebildet ist, dass die Leiterabschnitte, die die Mäanderkehren (28) bilden, zu einer Mittelebene spiegelsymmetrisch angeordnet sind und der Abstand derjenigen Leiterabschnitte (30) zueinander, die auf jeder Seite der Mittelebene parallel zu der Mittelebene verlaufen, in Richtung zu der Mittelebene zunimmt.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Abstand zwischen den Leiterabschnitten (30), die sich über die Mittelebene hinweg am nächsten gegenüberliegen, am größten ist.
Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Ecken der Mäanderkehren (28) abgerundet ausgebildet sind.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) derart ausgebildet ist, dass ein Einschaltstrom des Heizelements (18) 2 A nicht überschreitet.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festelektrolyt (12) aus Schichten ausgebildet ist, die Zirkoniumdioxid enthalten.