DE102013212370A1

DE102013212370A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102013212370A1
Application number: DE201310212370
Authority: DE
Inventors: Hartwig Lehle; Stefan Schmid; Johannes Grabis; Goetz Reinhardt; Thomas Moser; Christoph Peters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31
Also published as: WO2014206648A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht (12), mindestens eine erste Elektrode (14) und ein Heizelement (16) zum Erzeugen von Wärme. Die Festelektrolytschicht (12), die erste Elektrode (14) und das Heizelement (16) bilden einen Schichtaufbau (18). Die Festelektrolytschicht (12) weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (20) und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau (18) angeordnete Seitenflächen (22, 24) auf. Das Heizelement (16) weist einen Heizbereich (26) und mindestens eine Zuleitungsbahn (28) auf. Das Heizelement (16) ist so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet, dass der Heizbereich (26) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist. Die erste Elektrode (14) ist so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet, dass die erste Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. 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 Messgases erfassbar, wie beispielsweise andere Abgasbestandteile, insbesondere Wasser, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe etc., oder die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte 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 λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So weisen derartige Sensorelemente üblicherweise ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme auf. Dabei darf der Temperaturgradient zwischen einem durch das Heizelement erzeugten Hotspot und einer Sensorelementkante einen bestimmte Grenzwert nicht überschreiten, um eine hohe thermomechanische Robustheit zu gewährleisten, da beim Aufheizen mechanische Zugspannungen in der Keramik entstehen, die bei Überschreiten des Grenzwerts zu Beschädigungen an dem Sensorelement führen könnten. Die beim schnellen Aufheizen entstehenden Zugspannungen könnten beispielsweise zu einem Ausfall des Sensorelements durch Thermoschock führen. Deshalb werden neben der eigentlichen Messzelle des Sensorelements auch weitere Funktionselemente wie das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere und die Sensorelementkanten beheizt. Diese Heizleistung steht dann nicht direkt dem Beheizen der Messzelle zur Verfügung und verschlechtert das so genannte Fast-Light-Off.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine lokale Beheizung einer Messzelle des Sensorelements bei gleichzeitiger Minimierung der Zugspannungen möglich ist.
Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens eine erste Elektrode und ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme. Die Festelektrolytschicht, die erste Elektrode und das Heizelement bilden einen Schichtaufbau. Die Festelektrolytschicht weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau angeordnete Seitenflächen auf. Das Heizelement weist einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn auf. Das Heizelement ist so in dem Schichtaufbau angeordnet, dass der Heizbereich zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die erste Elektrode ist so in dem Schichtaufbau angeordnet ist, dass die erste Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich überlappt.
Die erste Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass mindestens 60% einer dem Heizelement zugwandten Fläche der ersten Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen mit dem Heizbereich überlappen. Die erste Elektrode kann zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sein. Das Heizelement kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass der Heizbereich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche angeordnet ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die Festelektrolytschicht eine Pumpzelle bilden, wobei die erste Elektrode im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist und die zweite Elektrode auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite des Schichtaufbaus angeordnet ist. Die erste Elektrode kann zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann beispielsweise als Ringsegment ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann alternativ als Ringelektrode ausgebildet sein. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine dritte Elektrode umfassen. Die erste Elektrode, die dritte Elektrode und die Festelektrolytschicht können eine Nernstzelle bilden. Die dritte Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass die Nernstzelle von dem Heizbereich erwärmbar ist. Die dritte Elektrode kann in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen teilweise mit dem Heizbereich überlappen. Der Heizbereich kann mindestens einen Abschnitt aufweisen, der sich von mindestens einer der Seitenflächen in Richtung zu der dritten Elektrode erstreckt. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. Der Heizbereich kann so ausgebildet sein, dass er in Längserstreckungsrichtung gesehen auf Höhe der dritten Elektrode eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. In Längserstreckungsrichtung gesehen kann die dritte Elektrode näher an der Stirnfläche angeordnet sein als die erste Elektrode. Die Längserstreckungsrichtung kann senkrecht zu der Stirnfläche der Festelektrolytschicht sein. Das Sensorelement kann weiterhin einen Gaszutrittsweg aufweisen. Die erste Elektrode kann mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbar sein. Die erste Elektrode kann sich zwischen der Stirnfläche der Festelektrolytschicht und dem Gaszutrittsweg befinden. Die erste Elektrode und/oder die dritte Elektrode können im Wesentlichen rechteckig in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau ausgebildet sein. Je nach Funktionsweise des Sensors können weitere Elektroden enthalten sein.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannten Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthalten.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Die Richtung des Schichtaufbaus bestimmt sich dabei senkrecht zu den jeweiligen Schichten bzw. Schichtebenen.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Die Elektrode befindet sich dabei an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der die Ionenleitung während des Betriebs stattfindet bzw. ein bestimmter Minimalwert der Ionenleitfähigkeit der Festelektrolytschicht vorliegt. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die eigentliche Elektrode lässt sich von ihrer Zuleitung dadurch unterscheiden, dass sie einen größeren Querschnitt als die Zuleitung aufweist. Die Zuleitung befindet sich an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der keine oder nur eine sehr geringfügige Ionenleitung während des Betriebs stattfindet.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 600 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit der ersten Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitungsbahn sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die stärkere Erwärmung des Heizbereichs im Vergleich zu der Widerstandsbahn kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand als die Zuleitungsbahn aufweist. Dies kann durch Wahl des Materials und/oder eine kleinere Querschnittsfläche als die Zuleitungsbahn realisiert werden.
Unter einer Anordnung eines Bauteils oder Funktionselements zumindest in der Nähe der Seitenflächen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung des Bauteils zu verstehen, bei der das Bauteil oder Funktionselement ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Das Bauteil wird dabei bevorzugt ganz, überwiegend und/oder bereichsweise in einem bestimmten maximalen Abstand von den Seitenflächen angeordnet. Der Abstand wird dabei senkrecht zu einer der Seitenflächen von der Seitenfläche ausgehend bis zu einer der Seitenfläche zugewandten Seite des Bauteils oder Funktionselements bestimmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis100 µm, oder sogar bis 200 µm oder 250 µm beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm.
Unter einer Anordnung des Heizbereichs zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung des Heizbereichs zu verstehen, bei der der Heizbereich ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Üblicherweise wird eine derartige Anordnung technisch durch das Vorsehen eines so genannten Dichtrahmens aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, begrenzt, der das Heizelement und den Heizbereich gegenüber der Außenumgebung des Sensorelements abschirmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis100 µm, oder sogar bis 200 µm oder 250 µm, beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm.
Unter einer Anordnung der ersten Elektrode zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung der ersten Elektrode zu verstehen, bei der die erste Elektrode ganz, überwiegend und/oder bereichsweise so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis100 µm, oder sogar bis 200 µm oder 250 µm, beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm.
Unter einer teilweisen Überlappung in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Anordnung zu verstehen, bei der sich das erste Element mit mindestens 20 % oder mindestens 30 % seiner dem Heizelement zugewandten Fläche bei einer Projektion der ersten Elektrode auf das Heizelement in Richtung des Schichtaufbaus auf dem Heizbereich befindet.
Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Heizelement, Pumpzelle, Nernstzelle, Diffusionsbarriere. Insbesondere sind unter Funktionselement diejenigen Elemente eines Sensorelements zu verstehen, die für die chemischen, physikalischen, elektrischen, elektrophysikalischen, und/oder elektrochemischen Funktionen von Bedeutung sind.
Unter einer Dicke eines Bauteils oder eines Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.
Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kanalförmige Öffnung mit einem beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig, zu verstehen, die geeignet ist, ein Messgas aus dem Messgasraum in einen im Inneren des Sensorelements bzw. der Festelektrolytschicht angeordneten eigentlichen Messraum eindringen zu lassen.
Unter einer dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Fläche einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Die Position der Stirnfläche wird dabei in einer Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen, so dass die Stirnfläche diejenige Fläche des Sensorelements ist, die in der Erstreckungsrichtung gesehen am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Beispielsweise definiert das Sensorelement eine Längserstreckungsrichtung, die eine Richtung ist, in der sich das Sensorelement in den Messgasraum hinein erstreckt, wobei sich die Stirnfläche senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung erstreckt. Da die Erstreckungsrichtung üblicherweise parallel zu der größten Oberfläche des Sensorelements ist, wird diese auch als Längserstreckungsrichtung bezeichnet.
Unter einer Anordnung einer elektrochemischen Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch ist eine Anordnung zu verstehen, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen mit einem Gaszutrittsloch invertiert ist. Bei herkömmlichen Sensorelementen befindet sich das Gaszutrittsloch zwischen der Stirnfläche und der elektrochemischen Zelle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das Gaszutrittsloch in Richtung der Anschlusskontaktelektroden verschoben anzuordnen, so dass sich die elektrochemische Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch befindet, d. h. das Gaszutrittsloch ist weiter von der Stirnfläche entfernt angeordnet als die elektrochemische Zelle. Die Anordnung wird dabei in Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Breitband-Lambdasonden beschrieben. Bei derartigen Breitband-Lambdasonden wird die in den Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff oder Fettgas entweder anhand eines Grenzstroms oder anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die Geometrie des Heizelements und der Messzelle des Sensorelements so aufeinander anzupassen, dass eine lokale Beheizung der Messzelle bei gleichzeitiger Minimierung der Zugspannungen möglich ist und somit die Aufheizgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Dies kann durch eine Anordnung des Heizelements in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht erreicht werden. Dabei wird auch eine teilweise Überlappung der ersten Elektrode und des Heizbereichs des Heizelements vorgeschlagen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die erste Elektrode bei dem Heizbereich des Heizelements bzw. umgekehrt der Heizbereich des Heizelements bei der ersten Elektrode angeordnet wird, so dass insgesamt die erste Elektrode in dem Hotspot des Heizelement angeordnet wird. Diese Art der Anordnung ist dabei in einer Projektionsebene in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau zu verstehen.
Die maximalen Zugspannungen treten typischerweise an den Seitenkanten bzw. Seitenflächen des Sensorelements auf Höhe eines von dem Heizelement erzeugten Hotspots auf, da die Zugspannungen proportional zu einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Hotspots und der Temperatur an der Seitenfläche sind. Durch ein gezieltes Aufheizen der Seitenflächen bzw. der Seitenkanten wird daher erfindungsgemäß eine Möglichkeit vorgeschlagen, mit der die Zugspannungen minimiert werden können.
Die schnell auf die üblichen Betriebstemperaturen von 600 °C bis 850 °C aufzuheizenden Funktionselemente sind die Pumpzelle, die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere. Die Pumpzelle hat die höchste Temperaturanforderung. Um eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit und ausreichende Dynamik zu erreichen, sind nämlich Mindesttemperaturen von ungefähr 700 °C erforderlich. Die Nernstspannung zur Messung bzw. Regelung des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum ist temperaturabhängig. Zur Messung der Nernstspannung sind Temperaturen oberhalb von 350 °C erforderlich. Die Nernstzelle hat darüber hinaus eine Temperaturmessfunktion bzw. Temperaturregelfunktion. Die Diffusionsbarriere ist von untergeordneter Bedeutung. Für die Gasdiffusion ist nämlich grundsätzlich keine hohe Temperatur erforderlich. Die Diffusion durch die Diffusionsbarriere ist jedoch temperaturabhängig. Um ein möglichst genaues Messsignal zu liefern, ist die Temperatur der drei genannten Funktionselemente, d. h. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere, im Betrieb konstant zu halten. Herkömmliche Messzellenanordnungen bei herkömmlichen Sensorelementen lassen den oben genannten Aspekt unberücksichtigt, dass zur Minimierung der Zugspannungen die Sensorelementseitenkante schnell aufgeheizt werden muss. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere sind üblicherweise in der Mitte des Sensorelements angeordnet und nicht an die konkrete Geometrie des Heizelements angepasst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Temperaturverteilung während des Aufheizvorgangs durch geeignete Auslegung des Heizelements bezüglich Geometrie und Material so eingestellt, dass die thermomechanischen Spannungen minimal sind. Zu diesem Zweck muss die Energie vom äußeren Rand des Sensorelements eingebracht werden, um Zugspannungen an den Seitenkanten zu vermeiden. Dies ermöglicht ein schnelles Aufheizen des Sensorelements. Die Messzellengeometrie wird der vorliegenden Temperaturverteilung angepasst. Die Pumpzelle wird im heißesten Bereich platziert, so dass die innere Pump- und Nernstelektrode großflächig an der heißesten Stelle des Heizelements zu liegen kommt. Die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere mit geringeren Temperaturanforderungen können in kälteren bzw. langsamer aufgeheizten Bereichen des Sensorelements angeordnet werden.
Lediglich beispielhaft und nicht abschließend werden nun einige mögliche Ausführungsbeispiele kurz erläutert.
Ein ringförmiger bzw. omegaförmiger Heizer stellt die ideale Geometrie dar, um die Leiterbahnen des Heizelements, welche die Energie ins Sensorelement einbringen, so weit wie möglich an die Ränder des Sensorelements zu legen. Auf diese Weise wird das Sensorelement ausschließlich von außen nach innen aufgeheizt, so dass die thermomechanischen Zugspannungen minimal sind. Ebenso ist die „Omega“-Geometrie des Heizelements ideal an eine ringförmige Pumpelektrode anpassbar. Dies belegt die Temperaturverteilung im Sensorelement bei Erreichen der Betriebsbereitschaft. Dadurch ist ein optimal kurzer Wärmefluss vom Heizelement zu der Pumpelektrode gewährleistet. Dies bewirkt ein schnellstmögliches Aufheizen der Pumpelektrode.
Alternativ kann die Elektrode als Ringsegment ausgebildet sein. Das Heizelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist optimal an die stirnseitige sowie seitliche Geometrie der inneren Pumpelektrode angepasst. Lediglich der kontaktseitige Bereich wird nicht optimal aufgeheizt. Als mögliche Alternative könnte dieser Elektrodensektor entfallen, so dass sich ein geöffneter Elektrodenring ergibt und die Referenzelektrode näher zur Stirn positioniert werden könnte. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle weiter in den heißen Bereich verlegt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein ringförmiges Heizelement mit zusätzlicher Beheizung der Nernstzelle. Will man den vollen Elektrodenring der inneren Pumpelektrode beibehalten und gleichzeitig mit einem omegaförmigen Heizelement die Nernstzelle schnell erwärmen, so kann diese als Ergänzung zu dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine Verjüngung des Heizbereichs auf der Höhe der Nernstzelle schneller aufgeheizt werden. Als weitere Alternative könnte der Heizbereich auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements verlegt werden. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe der Sonde im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Lineardesign des Sensorelements mit invertierter Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode. Für ein Sensorelement mit linearer Anordnung von Diffusionsbarriere und Pumpelektrode, d.h. Lineardesign im Vergleich zu dem bisher betrachteten Radialdesign mit ringförmiger Pumpelektrode und Diffusionsbarriere, lässt sich die thermomechanische Robustheit beim schnellen Aufheizen erhöhen, indem die Pumpelektrode direkt an der Stirnkante angeordnet wird. Daran schließen sich dann anschlusskontaktseitig Diffusionsbarriere und Gaszutritt an. Im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau des Lineardesigns resultiert also eine invertierte Anordnung von Pumpelektrode und Diffusionsbarriere. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Sensorelement durch ein omegaförmiges Heizelement von außen beheizt werden kann, was für eine hohe thermomechanische Robustheit sorg, und trotzdem die Pumpelektrode direkt beheizt wird, was für ein schnelles Fast-Light-Off sorgt. Zudem ist die von der Elektrode eingeschlossene Fläche wegen des linearen Messzellenaufbaus im Vergleich zum ringförmigen Aufbau, d.h. Radialdesign, verkleinert. Durch dieses Design werden also Vorteile von Linear- und Radialdesign kombiniert und der Gedanke aus einer Ausführung der Pumpelektrode als Ringsegment weitergeführt.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sandwichaufbau aus Pumpzelle und Nernstzelle. Der klassische Aufbau eines Sensorelementes einer Breitband-Lambdasonde sieht eine Anordnung der inneren Pump- und Nernstelektrode und der Referenzelektrode auf einer Ebene vor. Durch einen sandwichförmigen Aufbau, bei dem die Referenzelektrode zwischen der inneren Pump- und Nernstelektrode und der äußeren Pumpelektrode angeordnet wird, kann die Referenzelektrode Richtung Stirnkante in den Hotspot gerückt werden und so eine schnellere Innenwiderstandsregelbereitschaft also Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die Nernstzelle mit Hilfe der Innenwiderstandsmessung als Thermometer des Sensorelementes dient, kann durch diese Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich gemessen wird, und so eine Überhitzung des Sensorelementes verhindert werden. Dies würde ermöglichen, zur Freigabe der Sonde die Temperaturmessung über die Nernstzelle beizubehalten, statt das Innenwiderstands-Signal der Pumpzelle zu verwenden. Im Bereich zwischen innerer Pump- und Nernstelektrode und äußerer Pumpelektrode muss der Referenzkanal schmal sein, damit die Elektroden nicht zueinander isoliert werden.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sensorelement mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt. Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel mit der invertierten Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode sowie das klassische Lineardesign lassen sich auch mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des Sensorelementes erhöht werden.
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 Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs,
3 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs,
4 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs,
7 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs,
8 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
9 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
10 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung und
11 eine Schnittansicht des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases 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 Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. 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, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht 12 mit mindestens einer ersten Elektrode 14 und ein Heizelement 16. Die Festelektrolytschicht 12, die erste Elektrode 14 und das Heizelement 16 bilden einen Schichtaufbau 18, dessen Orientierung durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Ansicht der 1 ist eine Ansicht in der Richtung des Schichtaufbaus 18, so dass der Schichtaufbau 18 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus orientiert ist. Die erste Elektrode 14 ist in der Ansicht der 1 parallel zu dem Schichtaufbau 18 auf die Festelektrolytschicht 12 und das Heizelement 16 projiziert. Die erste Elektrode 14 ist zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet. Bei der ersten Ausführungsform ist die erste Elektrode 14 als Ringelektrode ausgebildet. Die erste Elektrode 14 ist im Inneren des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 12 weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche 20 und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau 18 angeordnete Seitenflächen 22, 24 auf.
Das Heizelement 16 weist einen Heizbereich 26 und mindestens eine Zuleitungsbahn 28 auf. Das Heizelement 16 ist als Widerstandsbahn ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform weist das Heizelement 16 daher zwei Zuleitungsbahnen 28 auf. Das Heizelement 16 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zumindest in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 der Festelektrolytschicht 12 angeordnet ist. Zwischen dem Heizbereich 26 und den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch der Stirnfläche 20 ist beispielsweise lediglich ein sogenannter Dichtrahmen 29 angeordnet, so dass der Heizbereich 26 mit möglichst geringem Abstand zu den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch zu der Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass die erste Elektrode 14 in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform überlappt die erste Elektrode 14 mit dem Heizbereich 26 beispielsweise zu mindestens 60 %. Wird mit anderen Worten die erste Elektrode 14 parallel zu dem Schichtaufbau auf das Heizelement 16 projiziert, so befinden sich mindestens 60 % der dem Heizelement 16 zugewandte Fläche der ersten Elektrode 14 auf dem Heizbereich 26 und sind deckungsgleich. Ferner ist das Heizelement 16 so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zusätzlich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist ebenfalls in der Nähe zumindest der Seitenflächen 22, 24 angeordnet.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine zweite Elektrode 30 auf, die in der Ansicht der 1 nicht zu sehen ist, aber beispielsweise der 9 zu entnehmen ist. Die zweite Elektrode 30 ist auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite bzw. Oberfläche des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 30 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Pumpzelle. Die zweite Elektrode 30 ist folglich eine äußere Pumpelektrode. Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode 32 auf. Die erste Elektrode 14, die dritte Elektrode 32 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Nernstzelle. Die dritte Elektrode 32 ist folglich eine Referenzelektrode. Die erste Elektrode 14 ist eine innere Pump- und Nernstelektrode, d.h. eine Kombination aus innerer Pumpelektrode und Nernstelektrode.
2 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs, d.h. mit eingeschaltetem Heizelement 16. Wie der 2 zu entnehmen ist, gibt es einen deutlich erkennbaren Bereich 34, in dem die Temperatur am höchsten ist und der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. Ferner ist der 2 zu entnehmen, dass die erste Elektrode 14 in diesem heißesten Bereich 34 angeordnet ist und sich somit in einem so genannten Hotspot befindet.
3 zeigt die Verteilung der Zugspannung während des Betriebs des Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 3 zu erkennen ist, ist in Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger. Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 4 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Wie der Darstellung der 4 zu entnehmen ist, ist die erste Elektrode 14 als Ringsegment oder geöffnete Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 ist so angeordnet, dass sie in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt und im vergleich zu der ersten Ausführungsform näher zu der ersten Elektrode 14 angeordnet. Dadurch wird auch die dritte Elektrode 32, d.h. die Referenzelektrode, in den heißesten Bereich 34 verlegt. Folglich befindet sich auch die Nernstzelle in dem heißesten Bereich 34. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 durch eine nicht gezeigte Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
5 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 5 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Das Sensorelement 10 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 38 in dem Messgasraum. Die Längserstreckungsrichtung 38 ist senkrecht zu der Stirnfläche 20 der Festelektrolytschicht 12. Die erste Elektrode 14 ist wie bei der ersten Ausführungsform als Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 überlappt nicht mit dem Heizbereich in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen. Der Heizbereich 26 ist bei der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform so ausgebildet, dass er in Längserstreckungsrichtung 38 gesehen auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Mit anderen Worten weist die elektrische Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleiner Querschnittsfläche auf als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Die Querschnittsfläche der Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 nimmt somit von der dritten Elektrode 32 in Richtung zu der Stirnfläche 20 hin zu. Die Zunahme der Querschnittsfläche kann gleichmäßig oder ungleichmäßig, wie beispielsweise gestuft, sein. Eine kleinere Querschnittsfläche bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer größeren Querschnittsfläche, so dass im Bereich der kleineren Querschnittsfläche eine stärkere Erwärmung als im Bereich der größeren Querschnittsfläche auftritt. Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
6 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der 6 zu entnehmen ist, wird durch den Heizbereich 26 wieder der heißeste Bereich 34 gebildet, der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. In diesem heißesten Bereich 34 ist die erste Elektrode 14 angeordnet, so dass sie sich in einem Hotspot des Heizelements 16 befindet.
7 zeigt die Verteilung der Zugspannung des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der 7 zu entnehmen ist, ist in Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger. Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert.
8 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 8 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Das Sensorelement 10 gemäß der vierten Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Der Heizbereich 26 ist so ausgebildet, dass er mindestens einen Abschnitt 40 aufweist, der sich von mindestens einer der Seitenflächen 22, 24 in Richtung zu der dritten Elektrode 32 erstreckt. Bei der Ausführungsform der 8 sind zwei Abschnitte 40 vorgesehen, die sich bezüglich der Längserstreckungsrichtung 38 hinweg symmetrisch gegenüberliegen und von der dritten Elektrode 32 teilweise überlappt werden. Bei der vierten Ausführungsform ist somit im vergleich zu der dritten Ausführungsform der Heizbereich 26 auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements 10 verlegt. Eine größere Länge der Widerstandsbahn bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer kürzeren Länge der Widerstandsbahn, so dass bei der größeren Länge eine stärkere Erwärmung als bei der kürzeren Länge auftritt Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann.
9 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer fünften Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Sensorelement 10 weist einen Gaszutrittsweg 42 auf. Der Gaszutrittsweg 42 weist ein Gaszutrittsloch 44 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12, auf der die zweite Elektrode 30 angeordnet ist, ins Innere des Schichtaufbaus 18 erstreckt. In der Festelektrolytschicht 12 kann ein Elektrodenhohlraum 48 vorgesehen sein, der an das Gaszutrittsloch 44 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 48 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 48 ist Teil des Gaszutrittswegs 42 und kann über das Gaszutrittsloch 44 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 44 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12 in das Innere des Schichtaufbaus 18. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 48 von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 12 bezogen auf die Ansicht der 9 begrenzt und zu dem Gaszutrittsloch 44 hin offen. Zwischen dem Gaszutrittsloch 44 und dem Elektrodenhohlraum 48 ist ein Kanal 50 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 42 ist. In diesem Kanal 50 ist eine Diffusionsbarriere 52 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 48 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 52 lässt sich ein Grenzstrom einer Pumpzelle 54 einstellen. Die Pumpzelle 54 umfasst die auf der Oberfläche 46 angeordnete zweite Elektrode 30, die erste Elektrode 14, die in dem Elektrodenhohlraum 48 angeordnet ist, und den Bereich der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der zweiten Elektrode 30 und der ersten Elektrode 14 über die Festelektrolytschicht 12 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 44 ist das Heizelement 16 in dem Schichtaufbau 18 angeordnet.
Ferner umfasst der Schichtaufbau 18 die dritte Elektrode 32, die als gepumpte Referenz in einem so genannten Referenzgaskanal 56 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal 56 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d. h. eine künstliche Referenz. Die erste Elektrode 14, die dritte Elektrode 32 und der Teil der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden bilden eine Nernstzelle 58. Mittels der Pumpzelle 54 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 48 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 58 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 56 oder an der dritten Elektrode 32, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 48 geschlossen werden.
Wie in 9 gezeigt, befindet sich im Unterschied zum heutigen Stand der Technik das Gaszutrittsloch 44 zwischen der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58. Insbesondere ist die erste Elektrode 14 näher an der Stirnfläche 20 angeordnet als der Gaszutrittsweg 42. Deshalb kann bei dieser Anordnung von einer invertierten Anordnung des Gaszutrittswegs 42 gesprochen werden. Da die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36, die die Pumpelektroden bilden, und die Stirnkanten, die den Übergang von der Stirnfläche 19 in die angrenzenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 14, wie beispielsweise die Oberseite 23, bilden, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die bei einem Fast-Light-Off durch das Heizelement 38 beheizt werden muss, gering. Der wesentliche Anteil der von dem Heizelement 16 erzeugten Wärme wird somit in einem Bereich eingebracht, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen, mit der Pumpzelle 54 überlappt. Das Gaszutrittsloch 44 befindet sich außerhalb dieses Bereichs, wie in 9 gut zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird der Hotspot des Heizelements 16 im Bereich der Pumpzelle 54 angeordnet und ein zweiter Hotspot, der bei herkömmlichen Sensorelementen das Gaszutrittsloch 44 erwärmt, entfällt oder fällt mit dem ersten Hotspot zusammen.
10 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die sechste Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der fünften Ausführungsform. Bei dem Sensorelement 10 gemäß der sechsten Ausführungsform ist eine sandwichförmige Anordnung der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58 realisiert, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Dabei befindet sich die dritte Elektrode 32 näher an der Stirnfläche 20 als die erste Elektrode 14. Die dritte Elektrode 32 befindet sich auch in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen oberhalb der ersten Elektrode 14. Genauer ist die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen angeordnet.
11 zeigt eine Schnittansicht des Sensorelements 10 gemäß der sechsten Ausführungsform. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Wie in 11 zu sehen ist, sind die erste Elektrode 14 und die dritte Elektrode 32 als rechteckige Elektroden in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen ausgebildet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau eines Sensorelements in Form einer Breitband-Lambdasonde sieht die sechste Ausführungsform der 11 keine Anordnung der ersten Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 auf einer Ebene vor, sondern auf verschiedenen Ebenen. Lediglich zur Vereinfachung ist die Projektion der ersten Elektrode 14 auf die Ebene der dritten Elektrode 32 gezeigt.
Durch den in den 10 und 11 gezeigten sandwichförmigen Aufbau, bei dem die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 angeordnet ist, kann die dritte Elektrode 32 in Richtung zu der Stirnfläche 20 in den Hotspot des Heizbereichs 26 gerückt werden und so eine schnellere Widerstandsmessung und Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die Nernstzelle 58 als Thermometer des Sensorelements 10 dient, kann durch diese Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich 34 des Heizbereichs 26 gemessen wird und so eine Überhitzung des Sensorelements 10 verhindert werden kann. Dabei kann die Temperaturmessung über die Nernstzelle 58 beibehalten werden statt das Widerstandssignal der Pumpzelle 54 zu verwenden. Im Bereich zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 muss der Referenzgaskanal 56 schmal sein, damit die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 30 und die dritte Elektrode 32 nicht zueinander isoliert werden.
Als weitere mögliche Ausführungsformen lassen sich alle oben gezeigten Sensorelemente 10 mit einem seitlichen oder stirnseitigen Gaszutrittsweg 42 realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere 52 bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des Sensorelements 10 erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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 Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (12), mindestens eine erste Elektrode (14) und ein Heizelement (16) zum Erzeugen von Wärme, wobei die Festelektrolytschicht (12), die erste Elektrode (14) und das Heizelement (16) einen Schichtaufbau (18) bilden, wobei die Festelektrolytschicht (12) eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (20) und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau (18) angeordnete Seitenflächen (22, 24) aufweist, wobei das Heizelement (16) einen Heizbereich (26) und mindestens eine Zuleitungsbahn (28) aufweist, wobei das Heizelement (16) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass der Heizbereich (26) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (14) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass die erste Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass mindestens 60 % einer dem Heizelement (16) zugewandten Fläche der ersten Elektrode (14) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen mit dem Heizbereich (26) überlappt.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (14) zumindest in der Nähe der Seitenflächen (22, 24) der Festelektrolytschicht (12) angeordnet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (16) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass der Heizbereich (26) in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche (20) angeordnet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine zweite Elektrode (30) umfasst, wobei die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (30) und die Festelektrolytschicht (12) eine Pumpzelle (54) bilden, wobei die erste Elektrode (14) im Inneren des Schichtaufbaus (18) angeordnet ist und die zweite Elektrode (30) auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite (46) des Schichtaufbaus (18) angeordnet ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (14) als Ringsegment ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 6, wobei die erste Elektrode (14) als Ringelektrode ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine dritte Elektrode (32) umfasst, wobei die erste Elektrode (14), die dritte Elektrode (32) und die Festelektrolytschicht (12) eine Nernstzelle (58) bilden, wobei die dritte Elektrode (32) so in dem Schichtaufbau (18) angeordnet ist, dass die Nernstzelle (58) von dem Heizbereich (26) erwärmbar ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dritte Elektrode (32) in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (18) gesehen teilweise mit dem Heizbereich (26) überlappt.
Sensorelement (10) nach Anspruch 9, wobei der Heizbereich (26) mindestens einen Abschnitt (40) aufweist, der sich von mindestens einer der Seitenflächen (22, 24) in Richtung zu der dritten Elektrode (32) erstreckt.
Sensorelement (10) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Sensorelement (10) in einer Längserstreckungsrichtung (38) in den Messgasraum erstreckt, wobei der Heizbereich (26) so ausgebildet ist, dass er in Längserstreckungsrichtung (38) gesehen auf Höhe der dritten Elektrode (32) eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode (14).
Sensorelement (10) nach Anspruch 9, wobei sich das Sensorelement (10) in einer Längserstreckungsrichtung (38) in den Messgasraum erstreckt, wobei in Längserstreckungsrichtung (38) gesehen die dritte Elektrode (32) näher an der Stirnfläche (20) angeordnet ist als die erste Elektrode (14).
Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längserstreckungsrichtung (38) senkrecht zu der Stirnfläche (20) der Festelektrolytschicht (12) ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) weiterhin einen Gaszutrittsweg (42) aufweist, wobei die erste Elektrode (14) mittels des Gaszutrittswegs (42) mit dem Messgas beaufschlagbar ist, wobei sich die erste Elektrode (14) zwischen der Stirnfläche (20) der Festelektrolytschicht (12) und dem Gaszutrittsweg (42) befindet.
Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (14) und/oder die dritte Elektrode (32) im Wesentlichen rechteckig in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau (18) ausgebildet sind.