DE2907032A1

DE2907032A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2907032A1
Application number: DE19792907032
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Dietz; Friedrich Dr Esper; Karl-H Dipl Phys Dr Friese; Gerhard Dr Holfelder; Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Klaus Dipl Ing Dr Mueller; Harald Dr Reber; Franz Ing Grad Rieger; Hermann Dr Ziener
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1980-08-28
Also published as: IT1140687B; FR2449887A1; JPS55116248A; JPS6336461B2; DE2907032C2; IT8020094A0; FR2449887B1; US4334974A

Description

R. 5 3 2 1

15.2.1979 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere von Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher Meßfühler, der aus der DE-OS 25 ^7 683 bekannt ist, hat einen plattenförmigen Festelektrolyten mit einem auf seinen gegenüberliegenden Großfläehen aufgebrachten, vom Meßgas umspülten Elektrodenpaar und liefert ein vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängiges Spannungssignal (potentiometrischer Meßfühler). Es sei außerdem auf

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den Gas-Meßfühler hingewiesen, der in der DE-OS 19 54 66.3 beschrieben ist und ebenfalls einen plattenförmigen Pestelektrolyten mit beiderseits aufgebrachten, vom Meßgas umspülten Elektroden hat, wobei jedoch die Festelektrolytplatte quer zum Meßgasstrom angeordnet ist und an die Elektroden eine Spannung angelegt wird; das Ausgangssignal dieses Meßfühlers, der ein Heizelement zum Einstellen des Pestelektrolyten auf seine Arbeitstemperatur aufweist, ist ein vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängiger, durch Gasphasen-Diffusion begrenzter elektrischer Strom (polarographischer Meßfühler); Erwähnt sei auch noch ein in der DE-OS 27 11 880 beschriebener polarographischer Meßfühler, dessen Meßelektrode eine poröse Abdeckung als Diffusionsbarriere für die Sauerstoffmoleküle des Meßgases besitzt, der jedoch einen rohrförmigen, an einem Ende geschlossenen Festelektrolyten hat und ein Bezugsgas, wie z.B. Luftsauerstoff, benötigt.

Vorteile der Erfindung

Der elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Meßfühler gemäß der genannten DE-OS 25 47 683 den Vorteil, daß er zu einem industriell gut und kostengünstig herstellbaren, polarographischen Gasmeßfühler mit Beheizung ausgebaut worden ist, der aufgrund der geringen Wärmekapazitäten seiner Bauteile eine kurze Ansprechzeit besitzt und den schweren Betriebsbedingungen im Abgas von Verbrennungsmotoren besonders zuverlässig standhält; der Anspruch 2 weist in Ausgestaltung dieses Meßfühlers noch eine hervorragende Lösung für eine als Diffusionsbarriere dienende

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Abdeckung definierter Porösität auf. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Meßfühlers sind in den anderen Unteransprüchen aufgeführt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen vergrößert dargestellten Meßfühler nach der Erfindung; Figur 2 ein Explosionsschaubild des vergrößert dargestellten Sensorelementes des Meßfühlers nach Figur 1, wobei der plattenförmige Festelektrolyt der Träger des Sensorelementes und eines darauf schichtförmig aufgebrachten Heizelementes ist; Figur 3 das Explosionsschaubild einer (zweiten) Ausführungsform eines Meßfühler-Sensorelementes, das dem nach Figur 2 entspricht₃ zusätzlich jedoch mit einem zweiten Heizelement versehen ist; Figur k das Explosionsschaubild einer dritten Ausführungsform eines Meßfühler-Sensorelementes, wobei auf beiden Großflächen der Festelektrolytplatte je ein ebener Elektroisolator aufliegt, der ein zur Festelektrolytplatte weisendes schichtförmiges Heizelement trägt; Figur 5 das Explosionsschaubild einer (vierten) Ausführungsform eines Meßfühler-Sensorelementes, das dem nach Figur 4 entspricht, bei dem jedoch die auf den Elektroisolatoren aufgebrachten schiehtförmigen Heizelemente von der Festelektrolytplatte abgewendet sind; Figur 6 das Explosionsschaubild einer fünften Ausführungsform eines Meßfühler-Sensorelementes 5 wobei inmitten der Baueinheit ein plattenförmiger

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Elektroisolator als Träger dient und ein schichtförmiges Heizelement mit dem Sensorelement integriert ist; Figur 7 das Explosionsschaubild einer sechsten Ausführungsform eines Meßfühler-Sensorelementes, wobei ein an der Außenseite angeordneter Elektroisolator als Träger dient und zwei schichtförmige Heizelemente in der Baueinheit integriert sind; Figur 8 einen Längsschnitt durch den meßgasseitigen Endabschnitt eines Meßfühler-Sensorelementes, in dem die poröse Abdeckung vertieft in der Festelektrolytplatte angeordnet ist, und Figur die Draufsicht auf die Festelektrolytplatte nach Figur 8,

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Figur 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, funktioniert nach dem Grenzstromprinzip, wie das prinzipiell in der DE-OS 19 54 663 beschrieben ist. Dieser Meßfühler besitzt ein beheizbares Sensorelement 11, das mit einem Teil seiner Länge mit Abstand in der Längsbohrung 12 eines Metallgehäuses 13 verläuft und mittels eines Fixierelementes 14 im Metallgehäuse 13 gehalten wird. Dieses Fixierelement 14 besteht aus einer Metallscheibe mit einem mittigen Durchbruch 15, der mit einem nicht bezeichneten Kragen versehen ist; das beheizbare Sensorelement 11 ist in diesem Durchbruch 15 mittels eines Lotes (z.B. Glas- oder Hartlot) dicht befestigt. Das Fixierelement 14 hat auch an seinem Außenrand einen nicht bezeichneten Kragen, liegt mit diesem auf einem Absatz 16 in der Gehäuse-Längsbohrung 12 auf und ist

mit dem Gehäuse 13 ebenfalls mittels eines Lotes verbunden und abgedichtet; als Lot wird auch hier bevorzugt ein Glas- oder ein Hartlot verwendet; geeignet sind aber auch Kitte, Kleber oder Schweißverbindungen» Zumeist genügt die Anordnung eines einzigen Fixierelementes 14 für die Halterung des Sensorelementes 11, für Ausnahmefälle können jedoch auch zwei oder mehrere derartiger Fixierelemente 14 empfehlenswert sein. Obwohl das Fixierelement 14 anstelle von Metall auch aus Keramik bestehen kann, wird es bevorzugt doch aus einem Metallblech hergestellt, weil es sich demzufolge bei den Temperaturwechseln im Anwendungsbereich elastischer und damit haltbarer verhält; für den Fall, daß in diesem Bereich zur Verbindung von diesbezüglichen Keramik- mit Metallteilen bzw. von Keramikteilen untereinander eine Lötverbindung Anwendung findet, sei erwähnt, daß die beteiligten Keramikteile vor dem Verlöten an ihrer Oberfläche im Verbindungsbereich zweckmäßigerweise metallisiert werden sollten. Das Metallgehäuse 13, das zum Einbau in. ein nicht dargestelltes Meßgasrohr (z.B. Abgasrohr) mit einem Außengewinde 17 und einem Schlüsselsechskant 18 versehen ist, ist zwecks Stoffersparnis relativ kurz gehalten und mittels einer Metallhülse 19 über sein meßgasfernes Ende hinaus verlängert; Gehäuse 13 und Metallhülse 19 sind bevorzugt durch Schweißen miteinander verbunden. Innerhalb dieser Metallhülse 19 ist ein abdichtender Isoliereinsatz 20 geführt und mittels mehrerer aus der Metallhülse 19 nach innen gedrückter Warzen 21 und ebenfalls mittels mehrerer aus der Metallhülse 19 nach innen gedrückter Zugentlastungsvorsprünge 22 festgelegt; zwischen den ZugentlastungsvorSprüngen 22 und dem Isoliereinsatz 20 ist zusätzlich eine metallische Anschlagringscheibe

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angeordnet, die den Isoliereinsatz 20 vor mechanischer Beanspruchung schützt. Der Isoliereinsatz 2O₃ der zur Vereinfachung seines Einbaus in die Metallhülse 19 auf seinem Umfang mit einigen Ringschultern 24 versehen ist j hat eine Zentralbohrung 25 mit einer ersten, in diese Zentralbohrung 25 ragenden Dichtschulter 26, die dem zusätzlichen Fixieren des beheizbaren Sensorelementes 11 dient, und einer zweiten Dichtschulter 27, die an den elektrischen Anschlußleitungen 28 eines Meßfühler-Anschlußkabels 29 anliegt. Die Anschlußleitungen 28 stehen mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung in Verbindung, die beide nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Das beheizbare Sensorelement 11, das meßgasseits in bevorzugter Weise etwa bündig mit dem Metallgehäuse 13 abschließt und demzufolge nicht unbedingt zusätzlicher Schutzmittel gegen aufprallende Partikel im Meßgas bedarf, ist im vorliegenden Beispiel derart an die elektrischen Leitungen 28 angeschlossen, daß beide Leitungen 28 potentialfrei aus dem Meßfühler 10 herausgeführt sind; anstelle dieser Ausfünrungsform kann aber auch eine der beiden das Meßsignal führenden Leitungen 28 auf bekannte Weise elektrisch mit dem an Masse liegenden Meßfühler-Gehäuse 13 verbunden sein.

In der Figur 2 ist das Explosionsschaubild des beheizbaren Sensorelementes 11 vom Meßfühler 10 dargestellt:

Träger dieses Bauelementes ist ein ebener, länglicher und sauerstoffionenleitender Festelektrolyt 30, der im vorliegenden Beispiel aus stabilisiertem Zirkondioxid

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besteht, eine Dicke von O₅8 mm und eine Breite von 5 mm hat. Auf dem meßgasnahen Endabschnitt dieses Pestelektrolyten 30 ist auf seiner (in der Figur) nach oben weisenden Großfläche 31 eine poröse Platinschicht von 7 /im Dicke als Meßelektrode (Kathode) 32 und eine damit verbundene, mittig auf der Großfläche 31 verlaufende, zum meßgasfernen Endabschnitt des Festelektrolyten 30 führende Leiterbahn 33 mittels bekannter Drucktechnik (oder durch Aufwalzen, Aufspritzen, Aufdampfen) aufgebracht, die bevorzugterweise hindurchgehende, nicht dargestellte Durchbrüche in der Größenordnung von 0,01 mm hat. Über dieser Meßelektrode 32 ist eine diese Meßelektrode 32 vollständig nach oben und seitlich abkapselnde poröse Abdeckung 34 angeordnet, die für Sauerstoffmoleküle einen definierten Diffusionswiderstand aufweist und durch Aufpressen eines geeigneten Stoffes (z.B. Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesium-Spine11) und durch nachträgliches Glühen hergestellt wird. Diese Abdeckung, die etwa 0,5 mm dick ist und Poren mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μπι hat, wird dadurch in bekannter Weise porös gemacht, daß eine bestimmte Stoffmenge mit bestimmtem Druck aufgebracht und/oder dem Stoff ein Hohlraum bildender Stoff noch hinzugeführt wird; der Hohlraum bildende Stoff (z.B. Kohlenstoff) wird bei dem erwähnten Glühvorgang oder bei dem später noch stattfindenden Sintervorgang mit entfernt. Um die Meßelektroden-Leiterbahn 33 vor korrodierenden Meßgasen zu schützen, ist es zweckmäßig, auch diese Leiterbahn 33 mit einer entsprechenden Schutzschicht abzudecken; im vorliegenden Beispiel wird diese Schutzfunktion von der porösen Abdeckung 3^ mit erfüllt, die auf die erforderliche Länge verlängert ist und am anschlußseitigen Endabschnitt derart ausgespart ist.

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daß die Meßelektroden-Leiterbahn 33 mit nicht dargestellten Kontakten und Anschlußleitungen versehen werden kann. Die in der Meßelektrode 32 und in der zugehörigen Leiterbahn 33 eingeformten Durchbrüche dienen zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Pestelektrolyten 30 und der porösen Abdeckung 34.

Auf der (in der Figur nach unten weisenden) zweiten Großfläche 35 des Festelektrolyten 30 befindet sich gegenüber der Meßelektrode 32 eine Bezugselektrode 36> die in Stoff und Abmessungen im wesentlichen der Meßelektrode 3.2 entspricht und auch mit einer zum meßgasfernen Endabschnitt des Festelektrolyten 30 führenden Leiterbahn 37 versehen ist; um Kurzschlußströme zwischen den Elektroden-Leiterbahnen 33 und 37 des in Betrieb befindlichen Meßfühlers 10 und demzufolge falsche Meßsignale zu vermeiden, ist zwischen der Bezugselektroden-Leiterbahn 37 (und/oder auch der Meßelektroden-Leiterbahn 33) und dem Festelektroden 30 eine Elektroisolierschicht 38 angeordnet, die beispielsweise aus ZrO_? bzw. Aluminiumoxid bestehen kann. Auf der Bezugselektrode 36 mit ihrer Leiterbahn 37 befindet sich ein schichtförmiger Elektroisolator 39 (z.B. ZrOp oder Aluminiumoxid), der jedoch zumindest noch den seitlichen Zutritt von säuerst off halt igem Meßgas zur Bezugselektrode 36 gestattet. - Die vorstehend beschriebenen Bauelemente mit den Bezugszeichen 30 bis 39 bilden das eigentliche Sensorelement 11, das zusätzlich mit einem auf dem Elektroisolator 39 aufgedrucktem Heizelement 40 versehen ist; dieses Heizelement 40 ist als mäanderförmig verlaufende Leiterbahn ausgebildet, besteht aus Platin, hat eine Dicke von etwa 10 jum, verläuft im wesentlichen im Bereich der Be-

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zugselektrode 3β und ist mit Leiterbahnen 41, 42 versehen., die für den elektrischen Anschluß dienen und bis zum meßgasfernen Endabschnitt des Sensorelementes 11 führen. Die Leiterbahnen 4l und 42 verlaufen entlang der beiden Längsseiten des Sensorelementes 11, so daß zwischen ihren nicht besonders dargestellten Anschlußbereichen der Anschlußbereich der Bezugselektroden-Leiterbahn 37 zu liegen kommt; das Heizelement 40 und dessen Leiterbahnen 4l, 42 sind - ausschließlich der Anschlußbereiche der Leiterbahnen 4l, 42 - noch mit einer porösen Schutzschicht 43 abgedeckt, die die bedeckten Teile vor korrodierenden Heißgasen schützen soll und z.B. aus ZrOp oder Aluminiumoxid besteht.

Sensorelement 11 und das darauf noch aufgebrachte, mit der Schutzschicht 43 versehene Heizelement 40 bilden somit eine zusammengesinterte Baueinheit 44, die mit für die Massenproduktion gut geeigneten Verfahren sicher und wirtschaftlich gefertigt werden kann, infolge ihrer geringen Wärmekapazität ein schnelles Betriebsverhalten besitzt und nur einer relativ geringen Heizenergie bedarf.

In Figur 3 ist anhand· eines Explosionsschaubildes eine Baueinheit 45 gezeigt, bei der auf einer Baueinheit 44/1 die der Baueinheit 44 nach Figur 2 entspricht - noch mit einem zweiten Heizelement 46 versehen ist; dieses Heizelement 46 ist auf der porösen Abdeckung 34/1 angeordnet und entspricht in seiner weiteren Gestaltung dem Heizelement 40 nach Figur 2. Gegen den schädlichen Einfluß korrodierende Heißgase ist auf dem Heizelement 46 und auf seinen beiden Anschluß-Leiterbahnen 47, 48 eine Schutzschicht 49 aufgebracht, die aus Kontaktierungs-

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gründen die Endabschnitte der Leiterbahnen 47, 48 unbedeckt läßt. Um jedoch dem Meßgas den Zutritt zur porösen Abdeckung 34/1 zu ermöglichen, ist die Schutzschicht 49 im Bereich oberhalb des Heizelementes 46 mit loch- oder schlitzförmigen Durchbrüchen 50 versehen. Sensorelemente 11/1 mit zwei Heizelementen 40/1 und 46 ermöglichen ein besonders schnelles Erreichen der für diesbezügliche Meßfühler 10 erforderlichen Arbeitstemperatur von 700 C und sind demzufolge auch für Anwendungsfälle gut geeignet, bei denen derartige Meßfühler 10 im Abgasrohr relativ weit vom Motorauslaß eingebaut sind (z.B. bei V- und Boxermotoren).

Um die Fertigung von beheizbaren Sensorelementen 11 bzw. 11/1 stückzahlmäßig flexibler zu gestalten und um Ausschußkosten möglichst gering zu halten, hat es sich für die Serienfertigung als zweckmäßig erwiesen, wenn beheizbare Sensorelemente 11 mehrteilig hergestellt werden; die Figur 4 zeigt eine erste derartige Ausführungsform als Explosionsschaubild:

Das erste Bauteil wird von einem Sensorelement 11/2 gebildet, das dem Sensorelement 11 nach Figur 2 entspricht; sein Festelektrolyt ist mit 30/2, seine poröse Abdeckung mit 34/2 und seine Schutzschicht auf der Bezugselektrode 36/2 mit 43/2 gekennzeichnet. Das zweite Bauteil wird von einem ersten Elektroisolator 51 gebildet, der etwa von gleichen Abmessungen wie das Sensorelement 11/2 ist, beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht und der mit einem Heizelement 40/2 einschließlich Leiterbahnen 4l/2, 42/2 in bekannter Weise beschichtet ist; das Heizelement 40/2 und seine Leiterbahnen 41/2, 42/2 bestehen auch aus Platinmetall. Dieses Bauteil liegt mit seinem

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Heizelement 40/2 fest auf der Sensorelement-Schutzschicht 43/2, und zwar im Bereich der Bezugselektrode 36/2. Auf die Darstellung einer zusätzlichen Schutzschicht zur Abdeckung des Heizelementes 40/2 und der Leiterbahnen 4l/2, 42/2 wurde verzichtet, da sie nur von Fall zu Fall erforderlich sind. 'Das dritte Bauteil ist ein zweiter Elektroisolator 52, der - wie der Elektroisolator 51 ~ mit einem Heizelement 46/2 und zugehörigen Leiterbahnen 47/2 und 48/2 versehen ist, auch aus Aluminiumoxid bestehen kann und mit seinem Heizelement 46/2 auf der porösen Abdeckung 34/2 des Sensorelementes 11/2 dicht aufliegt; auch bei diesem Bauteil kann gegebenenfalls eine nicht dargestellte Schutzschicht auf dem Heizelement 46/2 und den Leiterbahnen 47/2, 48/2 zweckmäßig sein. Um dem Meßgas den Zutritt zur Abdeckung 34/2 des Sensorelementes 11/2 zu ermöglichen, reicht im allgemeinen die beschriebene Anordnung aus, d.h., es gelangt für den Meßvorgang genügend Meßgas zwischen die Sensorelement-Abdeckung 34/2 und das Heizelement 46/2, vorteilhafter ist es jedoch, wenn der Elektroisolator 52 loch- oder schlitzförmige Durchgangsöffnungen 53 besitzt, die im Bereich des Bauelementes 46/2 durch den Elektroisolator 52 hindurchtreten und direkt auf der Sensorelement-Abdeckung 34/2 münden; das Heizelement 46/2 ist mit seinen Windungen um diese Durchgangsöffnungen herumgeführt. Alle drei Bauteile werden im Meßfühler 10 mittels Fixierelement 14 und Isoliereinsatz 20 zusammengehalten, können erforderlxchenfalls aber auch noch durch nicht dargestellte Vorsprünge, Absätze und ähnliches gegen ein Verschieben untereinander gesichert werden.

Figur 5 zeigt ein ähnliches beheizbares Sensorelement u/3 wie das in Figur 4; während in Figur 4 die Heiz-

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40/2, 46/2 direkt zum Sensorelement 11/2 hin- an - was die bevorzugtere Ausführungsform ist, weil die erzeugte Wärme schnell zum Pestelektrolyten 30/2 gelangt -, sind in Figur 5 die auf Elektroisolatoren 51/1 und 52/1 angeordneten Heizelemente 40/3 bzw. 46/3 vom Sej)~orelement 11/3 abgewendet. Um die Heizelemente 40/3, -6 3 mit ihren Leiterbahnen 4l/3, 42/3 bzw. 47/3, 48/3 korrodierenden Einfluß von heißen Meßgasen zu , sind sie jeweils noch mit einer Schutzschicht -J 3 bzw. 49/3 abgedeckt; auch in diesem Fall können Wfns=.3-Durchgangsöffnungen 53/1 in dem Elektroisolator 52 2 vorgesehen sein, die sich dann als Öffnungen 54 auch in der Schutzschicht 49/3 fortsetzen.

Εξ sei erwähnt, daß die in den Figuren 4 und 5 dargestellten beheizbaren Sensorelemente 11/2 und 11/3 nicht unbedingt auf jeder ihrer Seiten einen Elektroisolator 51. 52 bzw. 5I/I3 52/I haben müssen, unter günstigeren Eir-caubedingungen genügt es auch, wenn nur auf einer einzigen Seite dieser Sensorelemente 11/2 bzw. 11/3 ein ° Ele>troisolator mit Heizelement angeordnet ist.

In ier Figur 6 ist wieder ein einteiliges, beheizbares Sensorelement 11/4 dargestellt; es unterscheidet sich von dem beheizbaren Sensorelement 11 in Figur 2 dadurch, daß anstelle der Pestelektrolytplatte 30 (in Figur 2) ein Elektroisolator 39/4 als Träger der Baueinheit 44/4 verwendet wird. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß eine geringere Menge an relativ teurem Pestelektro-If7 30/4 benötigt wird als bei den vorstehend beschriebejjeri Baueinheiten; die Plattendicke des Festelektrolyten 30 - kann infolgedessen von 0,8 mm auf etwa 50 um reduziert werden. Das Heizelement 40/4 ist bei dieser Aus«·

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führungsform auf der Rückseite des Elektroisolators 39/4 aufgebracht.

Die Figur 7 zeigt ein anderes einteiliges, beheizbares Sensorelement 11/5, welches mit zwei Heizelementen 40/5 und 46/5 versehen ist und bei dem als Träger der gesamten Baueinheit 44/5 ein Elektroisolator 51/2 dient, der an einer Außenseite dieser Baueinheit 44/5 liegt. Bei dieser Au3führungsform kann auch ein relativ dünner, plattenförmiger Festelektrolyt 30/5 verwendet werden; der übrige Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau des beheizbaren Sensorelementes 11/2 in Figur 4. Dieses in Figur 7 dargestellte, beheizbare Sensorelement 11/5 ist besonders für die Herstellung in Großserien geeignet.

Bei der in Figur 2 beschriebenen Baueinheit 44 wurde die poröse Abdeckung 34, die einen definierten Diffusionswider stand gegenüber Sauerstoffmolekülen besitzen muß, durch Aufpressen auf die Meßelektrode 32 bzw. die Festelektrolytplatte 30 mit der Leiterbahn 33 und anschließendes Glühen aufgebracht. Anstelle dieses Ver- ■ fahrens kann - wie in Figur 8 und 9 dargestellt - die Festelektrolytplatte 30/6 am meßgasnahen Endabschnitt mit einer flachen Vertiefung 55 (oder einem Schlitz oder einem Absatz) versehen werden, in der die Meßelektrode 32/6 verläuft, und diese Vertiefung kann dann mit einer porösen Abdeckung 34/6 ausgefüllt werden; auf diese Weise ist eine hochverdichtete Festelektrolytzone zwischen den Elektroden 32/6 und 36/6 zu erzielen, die eine hohe Leitfähigkeit für Sauerstoffionen besitzt. Die aus der Vertiefung 55 herausführende, an die Meßelektrode 32/6 angeschlossene Leiterbahn 33/6 ist mit einer für Sauerstoffmoleküle undurchlässigen Deck-

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schicht 56 versehen, die aus keramischem Glas oder ähnlichem besteht und eine Verfälschung des Meßsignals verhindert. Der weitere Aufbau eines derartigen beheizbaren Sensors kann gemäß den Figuren 2 bis 7 erfolgen.

Eine andere gute Alternative zum Herstellen einer porösen Abdeckung ist die separate Anfertigung einer plattenförmigen Abdeckung und ihr Aufbringen auf die mit der Meßelektrode versehene Festelektrolytplatte, und das entweder nach den in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Darstellungen oder nach der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Anordnung. Wird die vorgefertige Abdeckung für die in Figur 8 gezeigte Anordnung mit der Vertiefung im Festelektrolyten eingesetzt, so ist der seitliche Spalt zwischen Abdeckung und Festelektrolyt mit einem höherschmelzendem Glas abdichtend auszufüllen. Das separate Herstellen der Abdeckung ermöglicht hervorragend das Einstellen des definierten Diffusionswiderstandes für Säuerstoffmoleküle, und zwar sowohl durch Wahl der Stoffmenge und/oder durch bestimmten Druck beim Formen der Abdeckung und/oder Verwendung von Hohlraumbildnern als auch noch durch mechanisches Abtragen.

Abschließend sei erwähnt, daß die Halterung und Abdichtung des Sensorelementes 11 innerhalb des Gehäuses 13 bzw. innerhalb der Metallhülse 19 nicht an die beschriebene Ausführungsform gebunden und nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.

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15.2.1979 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7OOO Stuttgart 1

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen,, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren '

Zus ammenfas sung

Es wird ein polarographiseher Meßfühler für den Sauerstoffgehalt in Gasen vorgeschlagen der einen im wesentlichen ebenen und länglichen Festelektrolyten aufweist, welcher auf jeder seiner beiden Großflächen eine dem Meßgas ausgesetzte Elektrode eines an elektrischer Spannung liegenden Elektrodenpaares trägt; eine der beiden Elektroden ist mit einer porösen Abdeckung versehen_a die für die Sauerstoffmoleküle des Meßgases einen definierten Diffusionswiderstand bildet. Der Meßfühler ist mit Heizelementen ausgerüstet_s weist eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf und ist besonders für eine industrielle Fertigung und den robusten Einsatz im Abgas von Brennkraftmaschinen entwickelt.

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Leerseite

Claims

R. 53 2 1 15.2.1979 Zr/Kö ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1 Ansprüche

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem Sensorelement, das einen Sauerstoffionenleitenden, im wesentlichen ebenen und länglichen Festelektrolyten besitzt, der in Längsrichtung innerhalb eines Metallgehäuses angeordnet ist und auf seinen beiden gegenüberliegenden Großflachen je eine dem Meßgas ausgesetzte gasdurchlässige Elektrode eines Elektrodenpaares trägt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden, bevorzugt nur auf dem meßgasnahen Endabschnitt des Festelektrolyten (30) angeordneten Elektroden (32, 36) mit einer porösen Abdeckung (34) versehen ist, welche für Sauerstoffmoleküle einen definierten Diffusionswiderstand aufweist, daß sich außerdem mindestens auf einer Großfläche (31j 35) des Sensorelementes (11) ein ebener Elektroisolator (39; 51> 52) befindet, der etwa die gleichen Abmessungen wie der Festelektrolyt (30) hat, ein den Elektroden (32, 36)

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möglichst naheliegendes j. schichtförmiges Heizelement (40, 46) trägt und möglichst nahe einer Sensorelement-Großfläche (31, 35) angeordnet ist, und daß zusätzlich die beiden Sensorelement-Elektroden (32₃ 36) an eine elektrische Spannung gelegt sind.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Diffusionswiderstand für die Sauerstoffmoleküle des Meßgases bildende Abdeckung (3*0 ein Preßkörper bestimmter Porösität ist.

3- Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Pestelektrolyt (30/6) eine Vertiefung (55) hat, auf deren Boden die Meßelektrode (32/6) aufgebracht ist, und daß die als Diffusionsbarriere dienende Abdeckung (34/6) im wesentlichen die Vertiefung (55) ausfüllt und dabei die darin befindliche Meßelektrode (32/6) vollständig abdeckt.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (32, 36) und an Heizelemente (40_a 46) angeschlossene Leiterbahnen (33, 37; 4l, 42; 47, 48) durch das Metallgehäuse (13) bis zum meßgasfernen Anschlußbereich des Meßfühlers (10) führen und dort bevorzugterweise als

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Anschlußkontakte gestaltet sind.

5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroisolatoren (39; 39/4; 51/2) mit dem Sensorelement (11, 11/4, 11/5) schichtartig und fest verbunden sind.

6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroisolatoren (51, 52; 51/1, 52/1) fest am Sensorelement (11/2, 11/3) anliegen und durch mindestens ein Fixierelement (14) zusammengehalten werden.

7· Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (40/2, 46/2; 40/5) vorzugsweise mit einer Schutzschicht (43/2, 43/5) bedeckt und dabei vorzugsweise auf dem dem Sensorelement (11/2, 11/5) zugewendeten Seite der Elektroisolatoren (51, 52; 51/2) aufgebracht sind.

8. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (11, 11/1 ...) und diesem beigeordnete, mit Heizelement (40, 40/1 ...; 46, 46/1, ...) beschichtete Elektroisolatoren (39; 5I₅ 51/1, ...; 52, 52/2, . ..) mittels

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mindestens eines bevorzugt aus Blech bestehenden Fixierelementes (I¹I) in der Längsbohrung (12) des Metallgehäuses (13) gehalten und bevorzugterweise auch gleich im Metallgehäuse (13) abdichtend eingebaut sind.

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