JPH06502015A - 混合ガスのλ値の検出のための限界電流センサ用センサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 混合ガスのλ値の検出のための限界を流センサ弔センサ素子 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念によるセンサ素子から出発する。拡散限 界を流原理で動作するこの種のセンサ素子では、拡散限界電流がセンサ素子の両 電極に印加される定電圧の下で測定される。この電流は、燃焼過程で発生した排 気ガス中の酸素濃度に、ポンプ１を極へのガス拡散が反応経過の速度を定める場 合依存する。ポーラログラフイー測定方式で動作するこの種のセンサにおいて、 アノードもカソードも被訓電ガスに曝されるように構成することは公知である。

その際カソードは、拡散限界電流領域での動作を得るために拡散バリヤを有する 。

公知の限界電流センサは通常、混合ガスのλ値を検出するために用いる。λ値は 、シリンダで燃焼する空気／燃料混合気の“燃料の完全燃焼に必要な酸素量に対 する全酸素量０の比を表す。ここでセンサは排気ガスの酸素濃度を、所定の領域 にあるポンプ電圧ｌ：よる限界電流１定を介して指示する。

簡単で安価な製造法であるため現場ではユニ数年、センサ素子をセラミックノー ト技術および捺染技術で￥！造するのが有利であることが示された。

プレーナセンサ素子は小片状またはシート状の酸素導通固体電解質５例えば安定 化された２酸化ジルコンから簡単で合理的に製造される。このセンサ素子は両便 で、所属の導体路を備えたそれぞれ１つの内部ポンプ電極および外部ポンプ電極 により被覆されている。

その際内部ポンプ電極は有利には拡散チャネルのａ領域に配置される。この拡散 チャネルを通って１定ガスが供給される。拡散チャネルはガス拡散抵抗として用 いられる。

ＤＥ−Ｏ３３５４３７５９並びにＥＰ−ＡＯ１４２９９３，０１８８９００およ び０１９４ｏ８２からさらに、それぞれポンプセルおよびセンサセルを有するセ ンサ素子および検知器が公知である。これらのポンプセルおよびセンサセルは小 片状またはシート状の酸素イτン伝導性固体電解質およびこの上に配置された２ つの電極からなり、共通の拡散チャネルを有している。

上記の形式のセンサ素子の欠点は、内部ポンプ電極の前部分、丁なわち供給され る測定ガスに向いた部分が、ポンプ電極の後部分、すなわち供給される測定ガス の反対部分よりも強（負荷される二とである。そのだめ高いボ〉ブ重圧を必要と する高い電極分極が生じる。後者はざらに、内部ポンプを極の領域にｂ′ける電 解質破壊の危険を含む。

この欠点を克服するためにＤＥ−Ｏ３３７２８６１８から、限界電流センサに対 するセンサ素子の拡散チャネルに、相互に対向して配置された少なくとも２つの 内部ポンプ１！を極を設けることが公知である。これにより、センサ素子に１つ の内部電極しが設けられていない場合に容易に生じる電極分極の欠点が明らかに 減少される。同時にポンプ電極の形成に必要な希金属の使用効率がさらに改善さ れる。

ＥＰ−Ａ−０１９０８２からさらに、ガス中、例えば内燃機関の排気ガス中のガ ス成分の濃度検出のためのセンサ素子が公知である。このセンサ素子は実質的← 二、２つのポンプ電極を有するポンプセルと２つの別の電極を有するセンサセル からなる。しがしこのセンサセルは比較的にコストのがかる構造を存している。

二のセンサ素子の構造では、補助ポンプ電流がネルンストセルの排気ガス側電極 に印加される。そのため比較的に高い酸素分圧がポンプセルのカソードを介して およびネルンストセルの排気ガス側電極を介して生じる。

発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分の構成を有する本発明のセンサ素子はこれに対して 、比較的容易に製造可能であり、センサ素子のポンプセルが有効に過負荷から保 ＦＡされ、それによりセンサ素子の寿命が格段に延長されるという利点を有する 。本発明のセ〉す素子の重要な特徴は、２重ポンプ電極後方の拡散空隙の両側に ネルンスト電極を配置することにある。従い、本発明）　のセンサ素子は１つの 拡散空隙を有する。この拡散空隙は空気参照チャネルの方向に、排気ガス電極を 形成するネルンスト電極に対して拡張されている。有利にはその際拡散空隙は拡 散バリヤとして作用する多孔性の充填物を有する。本発明のセンサ素子の場合、 拡散空隙中のネルンスト電極のＭ素分圧は定常状態において、ポンプ電極の酸素 分圧よりも大きくなることはできない。従いポンプセルは、ネルンスト電極の過 度に高い酸素分圧のために、過度に高められたポンプ電流に制御されることがな い。ネルンスト電極の測定電圧にポンプ電流負荷によって誤差が生じることはな い。

なぜならネルンスト１を唖は拡散空隙のポンプ電極と短絡されていないからであ る。２重ポンプ電極により、（Ｐ　Ｏ，）　ｖ、、、、、＃（Ｐ　Ｏ，）　、、 が保証される。

本発明の有利な実施例では、ネルンストセルの空気参照電極は空気参照チャネル に配置される。

本発明の別の有利な実施例では、ネルンストセルの空気参照ｉＩｌ極がネルンス トセルの排気ガス電極の下方に配置されており、空気参照チャネルからの空気の 導入のために多孔性のカバーを有している。有利には外部＠極を内部ポンプ電極 に比較して拡大すれば、外部電極の表面を内部ポンプ電極の表面の有利には３倍 まで大きくすることができる。さらに有利には、外部ポンプ＠極上に多孔性の刀 バ一層を配置することができる。

本発明のセンサ素子はブレーナ構造の公知のセンサ素子の代わりに、広帯域セン サに使用することができ、二のようなでン什として例えばＤＥ−０３３２０６９ ０３および３５３７０５１から公知の形式の通常のセンサデーシングに組み込み 、排気ガスの空燃比測定に使用することができる。

図面 図ＩＡは、本発明のセンサ素子の有利な実施例の拡大断面図である。このセンサ 素子はセラミックシート技術および捺染技術で製造可能である。このセンサ素子 は実質的にまとめてラミネートされた４つの固体電解質ｌ、２．３．４からなり 、打ち抜かれた中央洞室ガス供給開口部５、この測定ガス供給開口部周囲に配！ されたリング状の外部ポンプ電極６、測定ガス供給開口部５の周囲に相互に対向 して拡散チャネル７に配！された同様にリング状の内部ポンプ電極８．８°　、 排気ガス電極９、空気参照チャネル１０に配置された空気参照電極１１ｃ二の電 極は排気ガス電極と共に？ルンストセルを形成する）、内部ポンプ電極８．８′ 前方の多孔性トシネル充填物Ｉ２さらにヒータ１３を有する。あ定ガスに曝され るリング状電唖６．８．８゛は導体路に擬続さｎており１例えば電極６は導体路 ６゜をニ擾続されている。ここで導体路の下方にはＩ！緑層、例えばＡｌｘ０ｓ ＮＩが配！されている６導体路は図示しない電圧源、例えば０．５から１．ＯＶ の範囲Ｃ：動作電圧を有するバッテリーと接続されており、バッテリーの極性は 排気ガスのλ値に依存して調整される。有利には外部ポンプ電極と所萬の導体路 は、例えばマグネジウニスピネル製の多孔性カバ一層により覆われている。

図ＩＢは、図】Ａのセンサ素子の拡大正面図である。ここでは付加的に導体路９ °と１１’　が示されている。

図２Ａは本発明のセンサ素子の別の有利な実施例の拡大断面図である。このセン サ素子もセラミンクシート技術および捺染技術で製造可能である。この実施例は 図１．へ、Ｂの実施例と、空気参照電極１１が空気参照チャネルｌＯにではなく 、排気ガス電極９の下方に配置されている点でのみ異なる。この場合、空気参照 電極１１には多孔性のカバー１４が設けられている。

カバーは空気の空気参照チャネル１０からの流入を可能にする。

図２Ｂは、図２Ａのセンサ素子の拡大正面図である本発明のセンサ素子を製造す るのに適したａｌｌシイオシ導電性固体電解質は、例えばＺ　ｒ　ｏ、、　Ｈｆ 　Ｏ＋−ＣｅＯ＋およびＴｈｅ、ベースの固体電解質である。待に有利には、イ ンドリウムにより安定化された２酸化ジルコニウムｆＹｓＺ）からなる小片およ びシートを使用する。その際小片およびシートは有利には０．２５から０．３ｍ ｍの厚さを有する。

ポンプ電極は有利には、プラチナ族の金属、例えばプラチナからなるか、または プラチナ族の金属の合金またはプラチナ族の金属と他の金属の合金からなる。

ポンプ電極は有利には、セラミック支持フレーム材料、例えばｙｓｚｌｆｔを約 ４１）Ｖｏ１％の体積成分で含む。

ポンプ電極は多孔質で、有利には８〜１５μｍの厚さを有する。ポンプ電極に所 属する導体路は有利には同様に、プラチナまたは前記形式のプラチナ合金からな る。ポンプ電極と導体路は公知の手段、例えば捺染技術により固体電解質支持体 に被着することができる。

外部ポンプ電極を図示しない電圧源と接続する導体路と固体電解質支持体との間 には通常、例えばＡ１１Ｏ＋からなる絶縁層が配置される。絶縁層は例えば約１ ５μｍの厚さを有することができる。センサ素子を形成する個々のシートまたは 小片の合体は、セラミックシート技術および捺染技術で通常の手段を用いて行わ れる。この手段ではシートはまとめ合わされ約１００’Ｃの温度に加熱される。

その際同時に、拡散チャネルを前準備する二とができる。有利には拡散チャネル は、シート２に打ち抜かれたスリット２を用いて、または厚膜技術で例えばテオ ブロミン捺染層により設けられる。テオブロミンはその際後の焼成プロセスで蒸 発する。拡散チャネルを形成するために同様に例えば熱煤粉または炭酸アンモニ ウムを使用することができる。

熱煤粉は焼成プロセスで燃焼し、炭酸アンモニウムは蒸発する。

拡散チャネルが有利には多孔性の充填物を有していればテオブロミン捺染層の代 わりに例えば、テオブロミンまたはほかの蒸発可能または可燃材料からなる層、 または固体電解質基板の焼成温度では密に焼成しない材料、例えば粒子の粗いＺ ｒＯ２、マグネシウムスピネルまたは例えば１０μｍの大きさの粒子を有するＡ １□○、を使用することもできる。

実施例 図ＩＡおよび図ＩＢに模式的に示された形式のセンサ素子の製造のために、イツ トリウムにより安定化された２ａｌ化ジルコニウムからなる層厚０．３ｍｍのシ ートが使用される。プラチナからなるポンプ電極並びにネルンストセルの電極、 すなわち排気ガス電極と参照電極の支持シートへの被着は公知の捺染技術により 行う。その際、外部ポンプ電極を支持する支持シートの表面へは前もって、２０ μｍ厚のＡ１．○、絶縁層が被着される。リング状のポンプ電極は２．８ｍｍの 外径と１．４ｍｍの内径を厚さ１２μ山の際に有する。

導体路は、８５重量％のＰｔ粉末と１５１ｉ量％のＹＳＺ粉末からなる通常のＰ ｔサーメットペーストから形成される。拡散チャネルは厚膜技術においてテオブ ロミン捺染層により取り込まれる。その際テオブロミンは、３００６Ｃの温度領 域での後の焼成プロセスで、高さ約３０μｍ、深さ１．３ｍｍのリング空隙を残 して蒸発する。プリントされた電極および導体路を有するヒータはまとめてラミ ネートされる。打ち抜かれた中央測定ガス供給開口部は０．２５ｍｍの直径を有 している。空気参照チャネルはシート２に打ち抜かれる。

支持シートのプリントの後、すなわち電極、導体路、Ｉ！ｉ層並びに場合により カバ一層を外部ポンプ電極に被着した後、シートはまとめ合わされて焼成プロセ スが施される。その際シートは約３時間１３８０″Ｃ領域のｆ１度に加熱される 。

製造されたセンサ素子は、ＤＥ−ＯＳ３２０６９０３および３５３７０５１から 公知の形式のセンサケーシングに組み込まれ、′＃薄燃焼ガスおよび濃厚燃焼ガ スの空燃比測定に使用される。

国１ｔｋ！ｌ査報告 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　ヴイーデンマン、　ハンスーマルテインドイツ連邦共和国　Ｄ −７０００シュツブトガルト　１　ブルックナーシュトラーセ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．混合ガス、例えば内燃機関の排気ガスのλ値を検出するための限界電流セン サ用センサ素子であって、酸素イオン伝導性の固体電解質上に配置された外部お よび内部ポンプ電極を有し、 内部ポンプ電極は測定ガスのための拡散チャネルに配置されており、該拡散チャ ネルに配置された第２の内部ポンプ電極と短絡されており、 前記内部ポンプ電極と外部ポンプ電極はリング状に測定ガス供給部の周囲に配置 されているセンサ素子において、 拡散チャネルには、内部ポンプ電極（８、８′）の後方に、排気ガス電極（９） および空気参照電極（１１）からなるネルンストセルの当該排気ガス電極（９） が配置されていることを特徴とするセンサ素子。
2. ２．ネルンストセルの空気参照電極（１１）は空気参照チャネル（１０）に配置 されている請求の範囲第１項記載のセンサ素子。
3. ３．ネルンストセルの空気参照電極（１１）はネルンストセルの排気ガス電極（ ９）の下方に配置されており、空気参照チャネル（１０）から空気が流入するた めの多孔性カバー（１４）を有している請求の範囲第１項記載のセンサ素子。
4. ４．拡散チャネル（７）は拡散バリヤとして作用する充填物（１２）を含んでい る請求の範囲第１項記載のセンサ素子。
5. ５．外部ポンプ電極（６）は内部ポンプ電極（８、８′）と比較して拡大されて いる請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項記載のセンサ素子。
6. ６．外部ポンプ電極（６）上に多孔性のカバー層が配置されている請求の範囲第 １項から第５項までのいずれか１項記載のセンサ素子。
7. ７．セラミックシート技術および捺染技術で製造される請求の範囲第１項から第 ６項までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. ８．ヒータを有している請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項記載の センサ素子。