JPH06229982A - ガス混合物中のガス成分および/またはガス濃度を測定するためのセンサー - Google Patents
ガス混合物中のガス成分および/またはガス濃度を測定するためのセンサーInfo
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- JPH06229982A JPH06229982A JP5324497A JP32449793A JPH06229982A JP H06229982 A JPH06229982 A JP H06229982A JP 5324497 A JP5324497 A JP 5324497A JP 32449793 A JP32449793 A JP 32449793A JP H06229982 A JPH06229982 A JP H06229982A
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- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 排ガス中で測定すべき有害物質成分に対する
敏感な領域の感度を低下させない、ガス混合物中のガス
成分および/またはガス濃度を測定するためのセンサ
ー。 【構成】 測定素子がポンプセルに関連して、ポンプセ
ルのガス混合物側の領域にガス混合物に向かって絞り状
の開口を有するガス密の密閉層を備えており、したがっ
て測定素子の敏感な領域内にO2モル流密度を一定のポ
ンプ流の際に高めることができる。
敏感な領域の感度を低下させない、ガス混合物中のガス
成分および/またはガス濃度を測定するためのセンサ
ー。 【構成】 測定素子がポンプセルに関連して、ポンプセ
ルのガス混合物側の領域にガス混合物に向かって絞り状
の開口を有するガス密の密閉層を備えており、したがっ
て測定素子の敏感な領域内にO2モル流密度を一定のポ
ンプ流の際に高めることができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項1に記載の概念
によれば、ガス混合物中のガス成分および/またはガス
濃度、殊に内燃機関の排ガス中のCO、NOXおよびH
Cを測定するためのセンサーから出発する。以下、測定
すべきガス成分は、有害物質成分と呼ばれる。
によれば、ガス混合物中のガス成分および/またはガス
濃度、殊に内燃機関の排ガス中のCO、NOXおよびH
Cを測定するためのセンサーから出発する。以下、測定
すべきガス成分は、有害物質成分と呼ばれる。
【0002】
【従来の技術】上記のセンサーは、例えば半導電性の酸
化物または酸化物混合物の導電性の変化に関して排ガス
中の有害物質の濃度を測定するものである。排ガス中の
酸化可能または還元可能な有害物質の濃度を測定するた
めに導電性を採用する場合には、酸素交叉感度(Sauers
toffquerempfindlichkeit)が明らかになる。更に、酸
素分圧が低い場合および特に高い温度に関連して例えば
SnO2、In2O3のような金属酸化物の場合には、金
属酸化物の還元、ひいてはセンサーの破壊を生じる。
化物または酸化物混合物の導電性の変化に関して排ガス
中の有害物質の濃度を測定するものである。排ガス中の
酸化可能または還元可能な有害物質の濃度を測定するた
めに導電性を採用する場合には、酸素交叉感度(Sauers
toffquerempfindlichkeit)が明らかになる。更に、酸
素分圧が低い場合および特に高い温度に関連して例えば
SnO2、In2O3のような金属酸化物の場合には、金
属酸化物の還元、ひいてはセンサーの破壊を生じる。
【0003】ドイツ連邦共和国特許出願公開第2752
530号明細書の記載から、燃料ガス雰囲気中で燃焼可
能な成分を測定するための方法が公知であり、この場合
には、電気化学的測定セルおよびポンプセルが備えられ
ている。測定セルは、電気的ポンプポテンシャルを、燃
焼可能な成分の燃焼を生じさせるために、十分な酸素を
内室中にポンプ輸送するような水準に調節される。この
場合には、測定セルに常に化学量論的混合物が存在する
程の酸素が正確にポンプ輸送される。
530号明細書の記載から、燃料ガス雰囲気中で燃焼可
能な成分を測定するための方法が公知であり、この場合
には、電気化学的測定セルおよびポンプセルが備えられ
ている。測定セルは、電気的ポンプポテンシャルを、燃
焼可能な成分の燃焼を生じさせるために、十分な酸素を
内室中にポンプ輸送するような水準に調節される。この
場合には、測定セルに常に化学量論的混合物が存在する
程の酸素が正確にポンプ輸送される。
【0004】酸素を内側のポンプ電極にポンプ輸送する
場合には、拡散を阻止する作用のために、保護層は、敏
感な領域内で排ガスに対して高められた酸素分圧を生じ
る。しかし、酸素の一部は、複数の層を通り、敏感な領
域と排ガスとの間に配置された、拡散遮断層として作用
する保護層を通って酸素を殆んど含まない排ガス中に拡
散される。従って、酸素分圧の高さは、O2ポンプ流の
大きさ、個々の層の多孔度、ならびにO2拡散流に対し
て規定される横断面積によって定められる。従って、排
ガスのpO2変動の敏感な領域への依存をできるだけ除
去するために、排ガス中の酸素分圧に比較して敏感な領
域での酸素分圧ができるだけ高いことは、有利なことで
ある。これは、一面でO2ポンプ流の増大によって達成
することができる。しかし、ポンプ流を任意に増大させ
ることは、物理的および電気化学的に制限されている。
他面、敏感な層中で酸素分圧を増大させることは、実際
に厚いおよび/または緻密な保護層によって達成するこ
とができる。しかし、それによって、排ガス中で測定す
べき有害物質成分に対する敏感な領域の感度は低下す
る。
場合には、拡散を阻止する作用のために、保護層は、敏
感な領域内で排ガスに対して高められた酸素分圧を生じ
る。しかし、酸素の一部は、複数の層を通り、敏感な領
域と排ガスとの間に配置された、拡散遮断層として作用
する保護層を通って酸素を殆んど含まない排ガス中に拡
散される。従って、酸素分圧の高さは、O2ポンプ流の
大きさ、個々の層の多孔度、ならびにO2拡散流に対し
て規定される横断面積によって定められる。従って、排
ガスのpO2変動の敏感な領域への依存をできるだけ除
去するために、排ガス中の酸素分圧に比較して敏感な領
域での酸素分圧ができるだけ高いことは、有利なことで
ある。これは、一面でO2ポンプ流の増大によって達成
することができる。しかし、ポンプ流を任意に増大させ
ることは、物理的および電気化学的に制限されている。
他面、敏感な層中で酸素分圧を増大させることは、実際
に厚いおよび/または緻密な保護層によって達成するこ
とができる。しかし、それによって、排ガス中で測定す
べき有害物質成分に対する敏感な領域の感度は低下す
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明には、
前記に記載したような課題が課された。
前記に記載したような課題が課された。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の特徴部に記載
された本発明によるセンサーは、敏感な領域内で酸素分
圧を増大させることによって、O2モル流密度の増大を
達成させることができ、この場合にはO2ポンプ流を増
大させることはないという利点を有する。それによっ
て、同時にセンサーのO2側方感度を十分に除去するこ
とが可能になる。本発明によるセンサーを製造するため
に、被覆層をもたらす付加的なスクリーン印刷工程のみ
が必要とされる。
された本発明によるセンサーは、敏感な領域内で酸素分
圧を増大させることによって、O2モル流密度の増大を
達成させることができ、この場合にはO2ポンプ流を増
大させることはないという利点を有する。それによっ
て、同時にセンサーのO2側方感度を十分に除去するこ
とが可能になる。本発明によるセンサーを製造するため
に、被覆層をもたらす付加的なスクリーン印刷工程のみ
が必要とされる。
【0007】請求項1から10までのいずれか1項に記
載の手段によって、請求項1に記載されたセンサーの好
ましい後形成および改善が可能になる。1つの特に簡単
な実施形式は、電気化学的ポンプせ抵抗性測定センサー
と組合せることによって達成され、この場合には、内側
ポンプ電極が配置されているガス密の被覆層によって1
つの容量は閉じ込められており、かつ敏感な領域は、高
められた酸素分子流密度が生じる、被覆層の切欠き内に
配置されている。
載の手段によって、請求項1に記載されたセンサーの好
ましい後形成および改善が可能になる。1つの特に簡単
な実施形式は、電気化学的ポンプせ抵抗性測定センサー
と組合せることによって達成され、この場合には、内側
ポンプ電極が配置されているガス密の被覆層によって1
つの容量は閉じ込められており、かつ敏感な領域は、高
められた酸素分子流密度が生じる、被覆層の切欠き内に
配置されている。
【0008】本発明の2つの実施例は、図面内に図示さ
れており、かつ以下に詳細に記載されている。
れており、かつ以下に詳細に記載されている。
【0009】
【実施例】図1に示されたセンサーは、電気化学的ポン
プセル10および測定素子20からなる。ポンプセル1
0は、O2イオン導電性固体電解質、例えば安定化され
た酸化ジルコニウムからなる固体電解質担体13を有す
る。固体電解質担体13中には、ガス通路23およびヒ
ーター絶縁部24中に埋設された熱導体路25が存在す
る。固体電解質担体12の大面積部上には、内側ポンプ
電極11が備えられている。この内側ポンプ電極に対向
して、ガス通路23中には、外側ポンプ電極12が配置
されている。ガス通路23は、測定ガスと接続されてい
るかまたはO2雰囲気と接続されている。この種のポン
プセルの構造ならびにその製造は、既にドイツ連邦共和
国特許第3811713号明細書に記載されている。ガ
ス通路23は、省略することもでき、この場合には、電
極12は、直接に測定ガスに晒されている。
プセル10および測定素子20からなる。ポンプセル1
0は、O2イオン導電性固体電解質、例えば安定化され
た酸化ジルコニウムからなる固体電解質担体13を有す
る。固体電解質担体13中には、ガス通路23およびヒ
ーター絶縁部24中に埋設された熱導体路25が存在す
る。固体電解質担体12の大面積部上には、内側ポンプ
電極11が備えられている。この内側ポンプ電極に対向
して、ガス通路23中には、外側ポンプ電極12が配置
されている。ガス通路23は、測定ガスと接続されてい
るかまたはO2雰囲気と接続されている。この種のポン
プセルの構造ならびにその製造は、既にドイツ連邦共和
国特許第3811713号明細書に記載されている。ガ
ス通路23は、省略することもでき、この場合には、電
極12は、直接に測定ガスに晒されている。
【0010】測定素子20は、第1および第2の測定電
極18,19ならびにガス敏感性の半導電性金属酸化物
層21を有する抵抗体測定センサーである。センサーを
構成するために、内側ポンプ電極11上には、例えばA
l2O3からなる多孔質の絶縁層15が置かれている。こ
の場合、多孔質の絶縁層15は、固体電解質担体13上
の両側に残存する縁部上にまで延びている。多孔質の絶
縁層15上には、例えば白金−サーメット化合物からな
る2つの測定電極18および19が存在する。
極18,19ならびにガス敏感性の半導電性金属酸化物
層21を有する抵抗体測定センサーである。センサーを
構成するために、内側ポンプ電極11上には、例えばA
l2O3からなる多孔質の絶縁層15が置かれている。こ
の場合、多孔質の絶縁層15は、固体電解質担体13上
の両側に残存する縁部上にまで延びている。多孔質の絶
縁層15上には、例えば白金−サーメット化合物からな
る2つの測定電極18および19が存在する。
【0011】絶縁層15上には、本発明の例中で固体電
解質担体13上にまで達するガス密の被覆層16が配置
されており、したがって多孔質の絶縁層15は、固体電
解質担体13に向かって閉鎖されている。被覆層16
は、本発明による例の場合には、測定電極18および1
9の半分の上にまで亘って存在し、したがって測定電極
18,19上には、絞り状の開口17が生じる。この絞
り状の開口17中には、例えばSnO2からなる金属酸
化物層21が存在する。本発明の実施例の場合には、金
属酸化物層21が絞り状の開口17に亘って延びてお
り、したがって金属酸化物層21は、被覆層16上に1
つの縁部を形成する。抵抗体測定センサーの製造は、同
様にスクリーン印刷技術で行なわれ、この場合個々の層
の施与は、ドイツ連邦共和国特許第2908916号明
細書に記載された方法と同様にして進行する。
解質担体13上にまで達するガス密の被覆層16が配置
されており、したがって多孔質の絶縁層15は、固体電
解質担体13に向かって閉鎖されている。被覆層16
は、本発明による例の場合には、測定電極18および1
9の半分の上にまで亘って存在し、したがって測定電極
18,19上には、絞り状の開口17が生じる。この絞
り状の開口17中には、例えばSnO2からなる金属酸
化物層21が存在する。本発明の実施例の場合には、金
属酸化物層21が絞り状の開口17に亘って延びてお
り、したがって金属酸化物層21は、被覆層16上に1
つの縁部を形成する。抵抗体測定センサーの製造は、同
様にスクリーン印刷技術で行なわれ、この場合個々の層
の施与は、ドイツ連邦共和国特許第2908916号明
細書に記載された方法と同様にして進行する。
【0012】図2から、センサーが本質的に第1の実施
例の場合と同じ構造を有する第2の実施例が明らかであ
る。図1に示された実施例との個々の相違は、多孔質の
絶縁層15が側方で露出されており、かつ被覆層16に
よって包囲されていないことにある。この配置によっ
て、ガス密の被覆層16として導電性層を使用すること
ができ、この場合には、交叉導電性はポンプセル10上
で起こらない。
例の場合と同じ構造を有する第2の実施例が明らかであ
る。図1に示された実施例との個々の相違は、多孔質の
絶縁層15が側方で露出されており、かつ被覆層16に
よって包囲されていないことにある。この配置によっ
て、ガス密の被覆層16として導電性層を使用すること
ができ、この場合には、交叉導電性はポンプセル10上
で起こらない。
【0013】被覆層16の配置および絞り状の開口17
の構成によって、測定ガスに晒されている敏感な領域の
横断面積は減少される。それによって、O2分子流密度
は、同じ大きさのポンプ流の際に測定素子20の敏感な
領域内で増大する。
の構成によって、測定ガスに晒されている敏感な領域の
横断面積は減少される。それによって、O2分子流密度
は、同じ大きさのポンプ流の際に測定素子20の敏感な
領域内で増大する。
【0014】更に、センサーには、測定ガスに向かって
拡散遮断層を形成する多孔質の保護層14が備えられて
いる。保護層14は、本発明の実施例の場合には、金属
酸化物層21上に配置されており、この場合保護層14
は、センサーの全幅に亘って包囲することもできるし、
センサー全体を包囲することもできる。即ち、第2の実
施例の場合には、保護層14を固体電解質担体13上に
まで引き延ばすことも考えられ、したがって多孔質の絶
縁層15は包囲されている。
拡散遮断層を形成する多孔質の保護層14が備えられて
いる。保護層14は、本発明の実施例の場合には、金属
酸化物層21上に配置されており、この場合保護層14
は、センサーの全幅に亘って包囲することもできるし、
センサー全体を包囲することもできる。即ち、第2の実
施例の場合には、保護層14を固体電解質担体13上に
まで引き延ばすことも考えられ、したがって多孔質の絶
縁層15は包囲されている。
【0015】更に、測定電極18,19を被覆層16上
に配置する1つの実施形式が考えられる。この実施形式
は、絞り状の開口17が電極18,19の印刷技術的に
最小で製造できる距離にまで縮小することができ、ひい
てはO2分子流密度の増大を最大にすることも可能であ
る。
に配置する1つの実施形式が考えられる。この実施形式
は、絞り状の開口17が電極18,19の印刷技術的に
最小で製造できる距離にまで縮小することができ、ひい
てはO2分子流密度の増大を最大にすることも可能であ
る。
【0016】ガス密の被覆層16は、例えばZrO2ま
たはAl2O3からなることができる。測定素子20の敏
感な領域内でより高い酸素分圧は、被覆層16によって
調節することができる。更に、それによって、等しく高
い酸素分圧を薄い保護層および僅かに緻密の保護層(拡
散遮断層)を用いて達成することも可能であり、それに
よって排ガス中で測定すべきガス成分(CO,NOX,
HC)に対する測定素子20の敏感な領域のより高い感
度が達成可能である。
たはAl2O3からなることができる。測定素子20の敏
感な領域内でより高い酸素分圧は、被覆層16によって
調節することができる。更に、それによって、等しく高
い酸素分圧を薄い保護層および僅かに緻密の保護層(拡
散遮断層)を用いて達成することも可能であり、それに
よって排ガス中で測定すべきガス成分(CO,NOX,
HC)に対する測定素子20の敏感な領域のより高い感
度が達成可能である。
【図1】本発明によるセンサーの第1の実施例を示す略
示断面図。
示断面図。
【図2】本発明によるセンサーの第2の実施例を示す略
示断面図。
示断面図。
10 電気化学的ポンプセル、 11 内側ポンプ電
極、 12 固体電解質担体、 13 固体電解質担
体、 14 多孔質の保護層、 15 多孔質の絶縁
層、 16 ガス密の被覆層、 17 絞り状開口、
18 測定電極、 19 測定電極、 20 測定素
子、 21 金属酸化物層、 23 ガス通路、24
熱絶縁部、 25 熱導体路
極、 12 固体電解質担体、 13 固体電解質担
体、 14 多孔質の保護層、 15 多孔質の絶縁
層、 16 ガス密の被覆層、 17 絞り状開口、
18 測定電極、 19 測定電極、 20 測定素
子、 21 金属酸化物層、 23 ガス通路、24
熱絶縁部、 25 熱導体路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルント シューマン ドイツ連邦共和国 ルーテスハイム ダイ ムラーシュトラーセ 23
Claims (10)
- 【請求項1】 ガスに敏感な領域を有する測定素子備
え、かつ酸素運搬体を生じさせる、固体電解質担体上に
配置されたポンプ電極を有するポンプセルを備えるガス
混合物中のガス成分および/またはガス濃度を測定する
ためのセンサーにおいて、測定素子(20)がポンプセ
ル(10)に関連して、ポンプセル(10)のガス混合
物側の領域にガス混合物に向かって絞り状の開口(1
7)を有するガス密の密閉層(16)を備えており、し
たがって測定素子(20)の敏感な領域内にO2モル流
密度を一定のポンプ流の際に高めることができることを
特徴とする、ガス混合物中のガス成分および/またはガ
ス濃度を測定するためのセンサー。 - 【請求項2】 測定素子(20)が絞り状開口(17)
の内部に配置されている、請求項1記載のセンサー。 - 【請求項3】 測定素子(20)がポンプセル(10)
に関連して、測定素子(20)の敏感な領域内で酸素の
過剰量を調節するように配置されている、請求項1記載
のセンサー。 - 【請求項4】 1つの容量が被覆層(16)によって閉
じ込められており、この被覆層中には、固体電解質担体
(13)上に配置された内側ポンプ電極(11)が存在
している、請求項1記載のセンサー。 - 【請求項5】 内側ポンプ電極(11)および固体電解
質担体(13)上には、多孔質の絶縁層(15)が備え
られており、かつ被覆層(16)が絶縁層(15)上に
置かれている、請求項1または4に記載のセンサー。 - 【請求項6】 被覆層(16)が固体電解質担体(1
3)上にまで達しており、したがって絶縁層(15)は
被覆層(16)によって包囲されている、請求項1から
5までのいずれか1項に記載のセンサー。 - 【請求項7】 絶縁層(15)がガス混合物に向かって
付加的に側方の拡散開口を有する、請求項1から5まで
のいずれか1項に記載のセンサー。 - 【請求項8】 少なくとも測定素子(20)が保護層
(14)で被覆されている、請求項1から7までのいず
れか1項に記載のセンサー。 - 【請求項9】 測定素子(20)が金属酸化物層(2
1)および測定電極(18,19)を備える半導体ガス
センサーであり、この場合測定電極(18,19)は金
属酸化物層(21)の境界面に接して配置されている、
請求項1から8までのいずれか1項に記載のセンサー。 - 【請求項10】 金属酸化物層(21)の縁部が被覆層
(16)上に延びている、請求項9記載のセンサー。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4243733A DE4243733C2 (de) | 1992-12-23 | 1992-12-23 | Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen |
DE4243733.4 | 1992-12-23 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06229982A true JPH06229982A (ja) | 1994-08-19 |
JP3234080B2 JP3234080B2 (ja) | 2001-12-04 |
Family
ID=6476301
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32449793A Expired - Fee Related JP3234080B2 (ja) | 1992-12-23 | 1993-12-22 | ガス混合物中のガス成分および/またはガス濃度を測定するためのセンサー |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5460711A (ja) |
JP (1) | JP3234080B2 (ja) |
KR (1) | KR100238919B1 (ja) |
DE (1) | DE4243733C2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8168053B2 (en) | 2006-01-23 | 2012-05-01 | Denso Corporation | Gas sensing member used for gas sensor and method of manufacturing the member |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08122287A (ja) * | 1994-10-24 | 1996-05-17 | Ngk Insulators Ltd | ガス成分の濃度の測定装置および方法 |
JP3521170B2 (ja) * | 1996-03-19 | 2004-04-19 | 日本特殊陶業株式会社 | 排気ガスセンサ及びそれを用いたセンサシステム |
US5795545A (en) * | 1996-05-20 | 1998-08-18 | Motorola Inc. | Integrated ceramic exhaust gas sensors |
JPH10239276A (ja) * | 1996-12-27 | 1998-09-11 | Ngk Insulators Ltd | 一酸化炭素ガスセンサおよび同センサを用いた測定装置 |
DE19757112C2 (de) | 1997-09-15 | 2001-01-11 | Heraeus Electro Nite Int | Gassensor |
BR9806177A (pt) | 1997-09-15 | 1999-10-19 | Heraus Electro Nite Internatio | Sensor de gás |
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