JPH07508100A - ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度検出用センサ装置 - 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】 ガス混合気のガス成分及び／又はガス濃度検出用センサ装置 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ガス混合気、例えば内燃機関の排 ガス中のＣｏ、ＮＯｘ。

ＨＣのガス成分及び／又はガス濃度検出用センサ装置に関する。

公知文献”５ｅｎｓｏｒ　ｕｎｄ　Ａｃｔｕａｔ。

ｒｓ　Ｂ、９　（１９９２）、２３３−２３９頁”からは請求の範囲第１項の上 位概念に記載のようなＣＯ濃度検出用センサ装置が公知である。この装置ではポ ンプセルが酸素を測定素子ヘボンビングする。この場合この測定素子はポンプセ ルとガス混合気に対する所定の関係を付けずに測定空間内に配設されている。測 定素子においては十分な酸素濃度が存在することのみがめられている。この場合 酸素２１％の空気中におけるＣＯの場合にはＳ　ｎ　Ｏ２−半導体ガスセンサの 抵抗値はＮ、中のＣＯの場合においてよりも３オ一ダ分だけ大きいことがわかっ ている。

発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明によるセンサ装置は次のような利点 を有する。すなわちボン特表平７−５０８１００　（３） プ七ルに対する測定素子の良好な導電的分離と熱的減結合が得られることである 。このことはポンプセルの作動には測定素子よりも著しく高い温度が必要となる ため重要な意味がある。さらにポンプセルには十分な酸素を測定素子にボンピン グする役割がある。つまりポンプセルと測定素子との間でフィードバックは行わ れない。その限りではポンプセルと測定素子の電気的な分離は重要である。測定 素子を比較的に冷えている領域におくことによって、測定ガスが可及的に僅かな 事前の触媒作用しか受けないことが保証される。センサ装置の集積構造によって は酸素の横断方向での影響の受け易さを除去するために、十分な酸素が測定素子 の感応領域に加わることが保証される。

本発明の別の有利な実施例及び改善例は従属請求項に記載される。特に有効な構 造はセラミックシート（薄片）の積層結合体によって達成される。この結合体は ポンプセルに対する少なくとも１つのイオン導電性セラミックを有しており、ま たこの結合体では測定素子がポンプセルに対して横方向の間隔をおいて配置され ている。ポンプセルと測定素子との間の酸素移送は多層結合体に集積された拡散 区間を介して行われる。

この拡散区間は開口したチャネルか又は多孔性の充填物で構成されてもよい。特 にドーピングされた５ｎＯ７から厚膜技術によって形成された抵抗センサが特に 適切な測定素子であることがわかっている。さらに測定素子として電気化学的測 定セルが適している。また測定ガスが側方の拡散区間を介して測定素子の感応領 域に供給され、さらに測定素子と測定ガスとの直接的な接触がガス密な層によっ て中断される場合には、さらに良好な熱的減結合が達成される。この手法は測定 ガスが事前に触媒作用を受けることがなく、また酸素が阻害されることなく感応 領域を介して測定ガス中に拡散されるために有利である。

図面 図１には本発明によるセンサ装置の第１実施例の平面図が示されている。

図２には図１による装置のＩＩ−ＩＩ線に沿った縦断面図が示されている。

図３には図１による装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図が示されている。

図４には図１による装置のＴ　Ｖ　−Ｉ　Ｖ線に沿った横断面図が示されている 。

図５には本発明によるセンサ装置の第２実施例の縦断面図が示されている。

図６には本発明によるセンサ装置の第３実施例の縦断面図が示されている。

図７には図６による装置のＶｌｌ−Ｖｌｌ線に沿った平面図が示されている。

実施例の説明 次に本発明の３つの実施例を図面に基づき詳細に説明する。

本発明の第１実施例は図１〜図４に示されている。

センサ装置はポンプセル２０と測定素子３０を有している。セラミック支持体１ ０は第１のＡ１□０．−薄片１１と第２のＡ　Ｉ　２０　ｘ−薄片１２を備えて いる。これらの薄片の間には抵抗発熱体１３が配設されている。

図３及び図４に示されているように、抵抗発熱体１３の導体路はポンプセル２０ と測定素子３０の下方で種々異なって構成される。それによりこれらの発熱体は その領域において種々異なって発熱する。有利にはポンプセル２０における温度 が約７００＠で測定素子における温度が約５００６におかれる。

第２のＡＩ、Ｏｓ−薄片１２上には導体路２５を備えた外部ポンプ電極２３が被 着されている。この外部ポンプ電極２３の上には例えば安定化酸化ジルコニウム （ＺｒＯｔ）からなる多孔性の酸素イオン導電性固体電解質層２１が設けられて いる。導体路２５の上には例えばＡ　］　ｘ　Ｏｘからなる絶縁層２６が設けら れている。

この絶縁層２６は例えば多孔性固体電解質２１と同じ位の強度で構成されている 。多孔性固体電解質２１の上には内部ポンプ電極２２が設けられている。この内 部ポンプ電極２２は、絶縁層２６の上に延在する別の導体路２４と接続されてい る。

さらにカバー薄片１４が設けられている。このカバー薄片１４も例えばＡ　Ｉ　 ｘ　Ｏｓからなる。このカバー薄片１４には図１によればポンプセル２０に対し て横方向で間隔をおいて切欠き１５が設けられている。この切欠き１５内に測定 素子３０が（す下で述べるように）挿入される。さらにカバー薄片１４には相互 に対向する２つの開口部１６が設けられている。これらの開口部は図４に示され ているようにそれぞれこれらの開口部に対して直角に延在するチャネル１７に開 口している。このチャネル１７はポンプセル２０の側方に延在する０本発明によ る実施例の場合ではこのチャネル１７が外部ポンプ電極２３に接続されなければ ならない。

なぜならばポンプセル２０の固体電解質層２１は開口部１６と拡散チャネル２８ をガス密に分離するからである。セラミック支持体１０とカバ一層重４との間で センサ装置はガス密な枠３７によって囲繞されている。

切欠き１５の下方には絶縁層２６及び場合によって電極導体２４の上に被着され た多孔性の絶縁層３１（例えばＡ　Ｉ　ｈ　Ｏｘからなる）が設けられている。

切欠き１５は同時に絶縁層３１への方向で、ポンプセル２０によってボンピング された酸素に対する拡散開口部５８を形成する。絶縁層３１の上には相互に隣接 して配設された２つの測定電極３２．３３が配置されている。絶縁層３１にはポ ンプセル２Ｇとは反対側で別の絶縁層２７が接続されている。この別の絶縁層２ ７には測定電極３２．３３に対する導体路３４がそれぞれ接続されている。２つ の測定電極３２．３３の上には半導体金属酸化膜３５（例えばＳｎＯ２からなる ）が次のように配設されている。すなわち切欠き１５ないし拡散開口部５８を少 なくとも面状に覆うように配設されている。金属酸化膜３５の上には多孔性の保 護膜３６（例えばＡｌｚｃＬ又はＭｇ−尖晶石からなる）が設けられている。

一方でカバー薄片１４と絶縁層２６、内部ポンプ電極２２の間、他方でカバー薄 片１４と導体路２４の間に拡散チャネル２８が設けられている。この拡散チャネ ル２８は内部ポンプ電極２２から測定素子３０下方の多孔性絶縁層３１まで延在 している。この拡散チャネル２８を介して、ポンプセル２０からボンピングされ た酸素は測定素子３０まで拡散する。この拡散チャネル２８は多孔性の拡散層と して構成することも可能である（図１）。

本発明による第２実施例は図５に示されている。この実施例ではセラミック支持 体１０が２つの固体電解質５１．５２で形成されている。さらにこの実施例では ２つの固体電解質５１．５２の間に抵抗発熱体１３が多孔性の熱絶縁体５４内に 埋め込まれている。シールのためにこの熱絶縁体５４はガス密な枠５５によって 囲繞されている。セラミック支持体１０の上には絶縁性の分離膜６２（例えばＡ １□０．からなる）が被着されている。この場合分前記離膜の狭幅な端面側領域 の１つの面に切欠き部が設けられている。この切欠き部は拡散空隙部６６を形成 している。この拡散空隙部６６には多孔性の拡散体６７が（例えば薄膜状に）配 設されている。

分離層６２の上には別の固体電解質薄片６３が設けられている。この固体電解質 薄片６３には拡散体６７の領域においてポンプセル２０が構成されている。これ に対して拡散体６７の上には外部ポンプ電極２３が設けられている。この外部ポ ンプ電極２３のここでは図示されていない導体路は分離層６２と固体電解質薄片 ６３との間で延在している。外部ポンプ電極２３の対向側には固体電解質薄片６ ３の面上に内部ポンプ電極２２が配設されている。この内部ポンプ電極２２もこ こでは図示されていない導体路を有している。この導体路は固体電解質薄片６３ の上に延在している。

固体電解質薄片６３の上には多孔性の拡散層６８が設けられている。この場合こ の多孔性拡散層６８は内部ポンプ電極２２の上で、ポンプセル２０に対して横方 向に間隔をおいて配設されている測定素子３０まで延在している。この多孔性拡 散層６８はガス密なカバ一層６９によって覆われている。測定素子３０の個所で はカバ一層６９は拡散開口部５８を有している。

本発明によるこの実施例では測定素子３０として第１実施例の場合のように半導 体ガスセンサが用いられる。それに対して電気的な分離のために開口部５８の上 に多孔性の絶縁層６０が設けられている。この絶縁層６０は例えば固体電解質薄 片６３上を延在する。この絶縁層６０の上には２つの測定電極３２．３３が配設 されている。これらの測定電極の電極導体路３４は絶縁層６０の上をさらに延在 している。測定電極３２゜３３の上には半導体金属酸化膜３５が配設されている 。

さらにこの金属酸化膜３５の上には多孔性の保護膜３６が設けられている。

本発明による第３実施例は図６及び図７に示されている。この実施例のセンサ装 置は図５によるセンサ装置と同じように構成されており、セラミック支持体１０ とポンプセル２０を有している。図５による実施例との違いは測定素子３０が電 気化学的測定セルであることである。この測定セルはネルンストの定理に従って 動作する。それに対して拡散開口部５８には測定電極４１が挿入されている。こ の測定電極４１は測定電極４４と接続されている。測定電極導体路４４は絶縁層 ６０の上を延在している。この場合絶縁層は測定電極４１まで達している。

内部ポンプ電極２２の導体路２４は図７による実施例の場合も絶縁層６０の上に 設けられている。測定電極４１はガス密なカバー４３を備えている。このガス密 なカバー４３としては例えば焼結性の溶融ガラスが適している。

この実施例では、内部ポンプ電極２２は同時に電気化学的測定セル３０に対する 基準電極を形成している。

この場合測定電極４１と基準電極との間の酸素イオン伝導は多孔性の拡散層６８ を介して行われる。この拡散層６８は酸素イオン導電性の材料（例えばｚｒｏ＊ ）からなる。この実施例では酸素の横方向感度の除去のために必要な過剰酸素は 既に内部ポンプ電極２２に作用し得る。

測定ガスの導入はこの実施例の場合では測定セル３０の感応領域に対して直接的 に行われるのではなく、ポンプセル２０によってボンピングされる酸素と同じよ うに多孔性拡散層６８を介して行われる。それに対してカバ一層６９は多孔性拡 散層６８の回りでガス密な枠７０を形成する。この枠７ｏ内において測定ガスの 導入のために例えば２つの相対向する側に切欠き部７１が設けられている。この 切欠き部７１内へ多孔性拡散層６８が達している。それにより切欠き部７１はそ れぞれ１つの測定ガス開口部７２を形成する。切欠き部７１は有利には測定セル ３ｏよりもさらにポンプセル２０から離されている。それにより測定ガス開口部 ７２は測定セル３ｏよりもさらにポンプセル２ｏから離される。これによりさら に冷えている領域におかれる。これによって測定ガスに比較的少ない触媒作用し か及ばないようにさせる。強すぎる触媒作用は測定ガスの早期燃焼が生ぜしめら れることとなり、そのため測定素子３０の感応領域においては実質的なガス条件 は存在しないこととなる。

また拡散チャネル６８を測定セル３０の領域においてのみ多孔性材料で構成し、 その俺は中空空間として構成することも可能である。

センサ装置の作動のためにポンプ電圧がポンプ電極２２．２３に印加される。さ らに公知の制御回路（例えば５ＡＥ−特許公開第８６０４０８号公報に記載の制 御回路）を介して内部ポンプ電極２２における酸素分圧が一定に調整される。こ の場合この酸素分圧は本発明によれば測定すべきガス成分の分圧よりも過剰に調 整される。例えば酸素分圧が測定ガスの総圧力の２％〜１０％の間で選択される 。一定の酸素分圧は測定素子３０に供給される酸素分圧にも相応する。

センサ装置の投入の際にはポンプセル２０と測定素子３０が測定ガス中におかれ るかないしは図６及び図７による第３実施例の場合では測定ガス開口部７２が測 定ガスにさらされる。この場合はポンプセル２０が測定ガスの酸素含有化合物か ら酸素分子ないし酸素を外部ポンプ電極２３を介してボンピングする。しかしな がら測定素子３０のみを測定ガスに接触接続させ。

拡散空隙６６を有するポンプセル２０を基準ガスにさらすことは通常一般的なこ とである。この基準ガスからは酸素がボンピングされる。

前記センサ装置は有利には厚膜成形手法によって形成される。それに通常用いら れるスクリーン印刷技術は既に公知である。

５−」−一、 フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，’　識別記号　庁内整理番号７３６３−２Ｊ ７３６３−２Ｊ （７２）発明者　グリューンヴアルト、　ヴエルナードイツ連邦共和国　７０８ ３９　ゲルリンゲンレーマーヴエーク　８ （７２）発明者　ヘーツェル、　ゲルハルトドイツ連邦共和国　７０３７６　シ ュツットガルト　マージ　シュトラーセ　６２アーＩ ＧＯＩＮ　２７／４６　３２７　Ｈ （７２）発明者　ノイマン、　ハラルトドイツ連邦共和国　７１６６５　ファイ ヒンゲン／エンツヴアイヒンゲン　レーメンシュトラーセ　２９／１ （７２）発明者　リーゲル、　ヨハン ドイツ連邦共和国　７４３２１　ビーティッヒハイムーピッシンゲン　アイヒエ ンヴエーク２７ （７２）発明者　シューマン、　ベルントドイツ連邦共和国　７１２７７　ルー テスハイム　ダイムラーシュトラーセ　２３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス混合気、例えば内応機関の排ガス中のＣＯ，ＮＯｘ，ＨＣのガス成分及 び／又はガス濃度検出用センサ装置であって、 感応領域を有する測定素子と、固体電解質上に配設されるボンブ電極を備えた測 定素子ヘの酸素移送を行わせるポンプセルとを有する．ガス成分及び／又はガス 濃度検出用センサ装置において、前記ポンプセル（２０）と測定素子（３０）が センサ装置の作動の際にそれぞれ異なる温度領域におかれるように相互に空間的 に分離されて配設されていることを特徴とする、ガス成分及び／又はガス濃度検 出用センサ装置。 ２．前記ポンプセル（２０）と測定素子（３０）は、ポンプセル（２０）から測 定素子（３０）ヘ酸素を拡散せしめる拡散区間（２８，６８）を介して相互に接 続されている、請求の範囲第１記載のセンサ装置。 ３．前記センサ装置は、ポンプセル（２０）に対する少なくとも１つの酸素イオ ン導電性の固体電解質セラミック（２１，６３）を有する多層系として構成され ており、前記拡散区間（２８，６８）は多層系内に集積されており、さらに前記 拡散区間（２８，６８）は測定素子（３０）の方に拡散閉口部（５８）を有して おり、ポンプセル（２０）からポンピングされた酸素が前記拡散開口部（５８） を介して測定素子（３０）ヘ供給可能である、請求の範囲第２項記載のセンサ装 置。 ４．前記拡散開口部（５８）はカバーシート（１４）内ヘ入リ込む切欠き（１５ ）であり、該切欠き（１５）内に感応領域を有する測定素子（３０）が配設され ている、請求の範囲第３項記載のセンサ装置。 ５．前記拡散開口部（５８）は、拡散区間（６８）をガス密に囲繞するカバー層 （６９）内ヘ形成されており、前記拡散開口部（５８）上方には多孔性の絶縁層 （６０）が設けられており、該絶縁層（６０）の上には感応領域を有する測定素 子（２３）が配設されている、請求の範囲第３項記載のセンサ装置。 ６．前記測定素子（３０）は半導体ガスセンサである、請求の範囲第４項又は５ 項記載のセンサ装置。 ７．前記拡散開口部（５８）は，拡散区間（６８）をガス密に囲繞するカバー層 （６９）内ヘ挿入されており、前記測定素子（３０）は電気化学的測定セルであ り、該電気化学的測定セルは感応領域と共に前記拡散閉口部（５８）内に配置さ れている、請求の範囲第３項記載のセンサ装置。 ８．前記拡散開口部（５８）内に測定電極（４１）が挿入されており、測定セル に対する基準電極として内部ボンブ電極（２２）が用いられる、請求の範囲第７ 項記載のセンサ装置。 ９．前記測定セルの感応領域がガス密なカバー層（４３）で覆われており、前記 感応領域に測定ガスが拡散層（６８）を介して供給可能であり，前記拡散層（６ ８）は少なくとも１つの測定ガス開口部（７２）を介して測定ガスと接する、請 求の範囲第８項記載のセンサ装置。 １０．前記測定ガス開口部（７２）は相当程度センサ装置の温度領域内におかれ ており、該温度領域では測定ガスが最小の事前の触媒作用しか受けない、請求の 範囲第９項記載のセンサ装置。 １１．前記拡散区間はポンプセル（２０）から測定素子（３０）ヘ接続された多 孔性の拡散層（６８）である、請求の範囲第９項記載のセンサ装置。 １２．前記拡散区間はボンブセル（２０）から測定素子（３０）ヘ接続された拡 散チャネル（２８）である、請求の範囲第１項〜１１項のいずれか１項に記載の センサ装置。 １３．前記測定素子（３０）は感応領域に過剰酸素が供給されるように拡散区間 （２８，６８）に関して配設され、前記ポンプセル（２０）は感応領域に過剰酸 素が供給されるように構成されている、請求の範囲第１項〜１２項のいずれか１ 項に記載のセンサ装置。 １４．前記ポンプセル（２０）と測定素子（３０）はそれぞれ別個の加熱素子を 有し、該加熱素子の加熱出力はそのつどの動作温度に適合可能である、請求の範 囲第１項〜１３項のいずれか１項に記載のセンサ装置。