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    • 专利摘要:
    Es wird ein Gassensorelement angegeben, das zur Messung der Konzentration eines Gases wie O¶2¶ Verwendung finden kann. Das Gassensorelement ist in Form einer Schichtanordnung bzw. eines Laminats aufgebaut und dahingehend ausgestaltet, dass das zu messende Gas über einen Diffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird. Die Messgaskammer besitzt ein Volumen von 0,15 mm·3·, um während eines thermischen Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements das Abführen des in der Messgaskammer verbleibenden Gases zu erleichtern.
    公开号:DE102004021406A1
    申请号:DE102004021406
    申请日:2004-04-30
    公开日:2004-11-25
    发明作者:Shinichiro Kariya Imamura；Susumu Kariya Naito；Makoto Kariya Nakae
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01N27-41
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich allgemein auf einen verbesserten Aufbau einesGassensorelements, das ohne Beeinträchtigung seiner Ausgangssignalcharakteristikbzw. -kennlinie schnell aktivierbar ist und in einen Gassensor eingebautwerden kann, der bei der Verbrennungsregelung von Brennkraftmaschinenfür KraftfahrzeugeVerwendung findet.
    [0002] Essind bereits Abgasemissions-Regelsysteme bekannt, bei denen einLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensor(A/F-Sensor) im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugszur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O2)in den Abgasemissionen und Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnissesin der Brennkraftmaschine als Funktion des Messwertes zur Steuerungdes Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
    [0003] Insbesonderebei Verwendung eines Dreifachkatalysators zur Umsetzung von in denAbgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenenLuftschadstoffen in unschädlicheBestandteile ist es von wesentlicher Bedeutung, den Verbrennungsvorgangin einer Brennkraftmaschine dadurch zu regeln, dass das einem jeden Brennraumder Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis innerhalbeines begrenzten Bereiches gehalten wird.
    [0004] Beieiner solchen Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisregelung wird üblicherweiseein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensormit einem in Form einer laminierten Schichtanordnung aufgebautenGassensorelement verwendet, das eine Messgaskammer, in die Abgaseaus dem Außenbereichdes Gassensorelements übereinen Diffusionswiderstand eingeführt werden, eine an einem Sauerstoffionenleitenden Festelektrolytplättchenangebrachte und der Messgaskammer ausgesetzte Messgaselektrode sowie einean dem Festelektrolytplättchenangebrachte und einem Bezugsgas ausgesetzte Bezugsgaselektrode aufweist.Das Festelektrolytplättchen,die Messgaselektrode und die Bezugsgaselektrode bilden hierbei eineelektrochemische Zelle, die als Sensorzelle zur Messung der Konzentrationvon Sauerstoff in der Messgaskammer dient.
    [0005] Ausder US 6 340 419 B2 derAnmelderin, auf deren Offenbarung nachstehend in vollem Umfang Bezuggenommen wird, ist bereits ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorder vorstehend beschriebenen Art bekannt.
    [0006] Inden letzten Jahren ist es in zunehmendem Maße erforderlich geworden, dassein Gassensorelement fürdie bei Abgasemissions-Regelsystemen verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoreneinerseits eine hohe Messgenauigkeit aufweist und andererseits schnellaktivierbar ist.
    [0007] Insbesonderedie schnelle Aktivierung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements (A/F-Sensorelements)stellt eine der Zielsetzungen von Abgasvorschriften dar, da eineVerringerung der vor allem bei einem Kaltstart von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen großen Mengevon Kohlenwasserstoffen (HC) von maßgeblicher Bedeutung ist.
    [0008] Eineschnelle Aktivierung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erfordert einerseits eineverringerte Wärmekapazität des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsselbst, d.h., eine Verringerung der Abmessungen des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements,sowie andererseits eine Vergrößerung der zurErwärmungdes Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensorelementszu dessen Aktivierung erzeugten Wärmeenergiemenge.
    [0009] Einschneller Temperaturanstieg des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements bei dessen Aktivierungkann jedoch in Bezug auf die Ausgangssignalcharakteristik bzw. dasAusgangssignalverhalten des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsin verschiedener Hinsicht nachteilig sein.
    [0010] EinLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement dervorstehend beschriebenen Art ist nämlich üblicherweise mit einem Diffusionswiderstandversehen und dahingehend ausgestaltet, dass als Sensor-Ausgangssignalbei einer einzelligen Bauart ein Grenzstrom oder bei einer zweizelligenBauart ein Pumpstrom abgegeben wird. Hierbei werden die Abgase über denDiffusionswiderstand in eine im Körper des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsausgebildete Messgaskammer eingeführt und treten dann mit einerin der Messgaskammer angeordneten Messgaselektrode zur Erzeugungdes Sensor-Ausgangssignals in Wirkverbindung.
    [0011] ZurErzeugung eines korrekten Sensor-Ausgangssignals ist die Erwärmung desLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsauf eine bestimmte Aktivierungstemperatur von wesentlicher Bedeutung.In der nachstehenden Beschreibung wird die Zeitdauer, die bis zurausreichenden Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erforderlichist, auch als Aktivierungs-Übergangsperiodebezeichnet.
    [0012] Während dieserAktivierungs-Übergangsperiodefindet eine schnelle Erwärmungdes in der Messgaskammer des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements befindlichenGases mit einer entsprechenden Ausdehnung statt, wobei jedoch dieAbführungdes Gases aus der Messgaskammer durch den Diffusionswiderstand inerheblichem Maßeerschwert wird. Dies hat zur Folge, dass nach Erreichen der Aktivierungstemperaturdes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements auchdas Einleiten von Abgasen in die Messgaskammer mit Schwierigkeitenverbunden ist, was bei der Bestimmung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Gemischverhältnissesin der Brennkraftmaschine unter Verwendung des Sensor-Ausgangssignalszu einem Messfehler bzw. einer Abweichung führt.
    [0013] 14 veranschaulicht einezeitabhängige Veränderungdes Ausgangssignals eines solchen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, diein einer Atmosphäremit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von 18(d.h., N2/O2 = 4%)gemessen wurde.
    [0014] Einin dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementangeordnetes Heizelement wurde zur Zeit 0 zur Erwärmung desKörpersdes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorseingeschaltet. Solange eine niedrige Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsvorlag, wurde kein Sensor-Ausgangssignal abgegeben. Beim Anstiegder Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements begann danndie Erzeugung des Sensor-Ausgangssignals. Nach der vollständigen Erwärmung desLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements solltedas Sensor-Ausgangssignal eigentlich in der gestrichelt dargestelltenWeise konstant gehalten werden, veränderte sich jedoch tatsächlich inder durch eine durchgezogene Linie dargestellten Weise.
    [0015] Wenndas Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementim Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und sich dieBrennkraftmaschine im Stillstand befindet, d.h., wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementim inaktiven Zustand befindet und Umgebungstemperaturen ausgesetztist, gelangt die in das Abgasrohr eintretende Umgebungsluft in denBereich des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, sodassdas in der Messgaskammer befindliche Gas im wesentlichen die gleicheSauerstoffkonzentration wie Luft aufweist. Hierdurch wird häufig ein Ausgangssignaldes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementserhalten, wie es in 14 dargestelltist, das dann fehlerhaft ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet, das magererals das in der Brennkraftmaschine vorhandene Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
    [0016] Wennnach der Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements der Temperaturanstiegdes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements endet,endet auch die Ausdehnung des in der Messgaskammer befindlichenGases, das dann durch einen Pumpvorgang des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements durchdas an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement außen vorbeiströmende Gasersetzt wird, sodass das Sensor-Ausgangssignal in der in 14 dargestellten Weise konstantgehalten wird.
    [0017] Dievorstehend beschriebene Ausgangssignalabweichung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsführt somitzu einer Verzögerungder Erzeugung eines korrekten Sensor-Ausgangssignals, die einer schnellenAktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsentgegensteht.
    [0018] ZurLösungdieses Problems sind bereits die nachstehend näher beschriebenen Maßnahmenvorgeschlagen worden.
    [0019] Zunächst kannin Betracht gezogen werden, eine rasche Abführung des in der Messgaskammer befindlichenGases durch Verringerung des Diffusionswiderstandswertes des Diffusionswiderstandszu erzielen. Außereiner Verringerung der Ausgangssignalabweichung des Luft-Kraftstoffverhältnis- Sensorelements wirdhierdurch jedoch auch die Bildung eines Grenzstroms erschwert, wodurchsich die Messgenauigkeit des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements verringert.
    [0020] Fernerunterliegen die von der Brennkraftmaschine eines KraftfahrzeugsausgestoßenenAbgase üblicherweiseim Betrieb der Brennkraftmaschine erheblichen Veränderungen.Bei einem veränderlichenGasdruck eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementzu messenden Gases kann ein verringerter Diffusionswiderstand aucheine Instabilität(d.h., ein Pulsieren) des Sensor-Ausgangssignals zurFolge haben, die auf diese Gasdruckschwankungen oder andere Veränderungender Gasbeschaffenheit zurückzuführen sind.
    [0021] Darüber hinauskann in Betracht gezogen werden, die vorstehend beschriebene Ausgangssignalabweichungzu verhindern, indem die Erwärmungsgeschwindigkeitdes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsverringert und damit die erforderliche Abführung des Gases aus der Messgaskammerermöglichtwird, bevor die Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements den Aktivierungswerterreicht. Hierdurch wird jedoch wiederum eine rasche Aktivierungdes Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelementsin Frage gestellt.
    [0022] Dievorstehend beschriebenen Probleme treten auch bei Gassensoren andererArt auf, die zum Einleiten eines zu messenden Gases in eine Messgaskammer über einenDiffusionswiderstand ausgestaltet sind und sowohl eine hohe Messgenauigkeit aufweisenals auch schnell aktivierbar sein müssen.
    [0023] DerErfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend beschriebenenNachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen verbessertenAufbau eines laminierten Gassensorelements anzugeben, durch deneine rasche Aktivierung des Gassensorelements erzielbar ist undAusgangssignalabweichungen währendeines Aktivierungs-Übergangszustandsminimal gehalten werden können.
    [0024] Gemäß einerAusgestaltung der Erfindung wird ein laminiertes, d.h., ein in Schichtanordnung aufgebautesGassensorelement angegeben, das in einen Gassensor eingebaut werdenkann, der zur Messung der Konzentration eines Gases wie O2 dient und bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem vonKraftfahrzeugen Verwendung findet. Dieses Gassensorelement umfasst:(a) einen Diffusionswiderstand, (b) eine Messgaskammer, in die einzu messendes Gas überden Diffusionswiderstand eingeführtwird, (c) ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, (d)eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Messgaselektrode,die dem in der Messgaskammer befindlichen Gas ausgesetzt ist, und(e) eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Bezugsgaselektrode,die einem Bezugsgas ausgesetzt ist und zusammen mit der Messgaselektrodeeine elektrochemische Zelle bildet, wobei die Messgaskammer einVolumen von 0,15 mm3 oder weniger aufweist.
    [0025] Wievorstehend beschrieben, tritt bei einem Gassensorelement dieserArt eine Ausgangssignalabweichung auf Grund der Tatsache auf, dasswährenddes Aktivierungs-Übergangszustandsdes Gassensorelements die durch dessen schnelle Erwärmung erfolgendeAusdehnung des in der Messgaskammer befindlichen Gases durch denDiffusionswiderstand behindert wird, wodurch die Zuführung von Gasaus dem Außenbereichdes Gassensorelements in dessen Messgaskammer erschwert wird. ZurVermeidung dieses Effekts ist das erfindungsgemäße Gassensorelement dahingehendausgestaltet, dass die Messgaskammer ein Volumen von 0,15 mm3 oder weniger aufweist, wodurch die Mengedes in der Messgaskammer befindlichen bzw. verbleibenden Gases verringertwird, ohne die Wirkung des Diffusionswiderstands zu beeinträchtigen.Auf diese Weise kann bei dem Gassensorelement vor der Beendigungvon dessen Aktivierung das Gas aus der Messgaskammer abgeführt werden,sodass das Gassensorelement einerseits schnell aktiviert werdenkann und andererseits eine Ausgangssignalabweichung während desAktivierungs-Übergangszustandsminimal gehalten wird.
    [0026] DieErfindung kann bei sämtlichenlaminierten, d.h., in Schichtanordnung aufgebauten GassensorelementenVerwendung finden, bei denen ein zu messendes Gas über einenDiffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird.
    [0027] Invorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wirkt die Messgaselektrodeals Pumpelektrode, die in dem Gas enthaltenen Sauerstoff in dieMessgaskammer hineinpumpt oder aus der Messgaskammer herauspumptund einen der Messgaskammer ausgesetzten Bereich Sp aufweist, derdie Bedingung Vc/Sp < 0,02mm erfüllt,wobei Vc das Volumen der Messgaskammer angibt.
    [0028] Hierbeiweist die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelementseine Höhevon 5 μmbis 18 μmauf.
    [0029] Alternativkann die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelementseine Höhe von10 μm bis15 μm aufweisen.
    [0030] Außerdem kanndas Gassensorelement eine Heizeinrichtung zur Erwärmung desGassensorelements auf eine zu dessen Aktivierung erforderliche Temperaturaufweisen, die die Temperatur des Gassensorelements mit einer Geschwindigkeitvon 100°C/sbis 250°C/serhöht.
    [0031] Außer derals Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle kann das Gassensorelementeine weitere elektrochemische Zelle umfassen, die als Sensorzelledient. Diese Sensorzelle weist eine an dem Festelektrolytelementangeordnete und der Messgaskammer ausgesetzte Sensorzellenelektrodeauf und dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das dieKonzentrationsdifferenz zwischen einem spezifischen Bestandteildes Gases in der Messgaskammer und einem spezifischen Bestandteildes Bezugsgases angibt, wobei das elektrische Signal zur Steuerungdes Betriebs der Pumpzelle dient.
    [0032] DieErfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielenunter Bezugnahme auf die zugehörigenZeichnungen näherbeschrieben. Es zeigen:
    [0033] 1 eine Querschnittsansichteines Gassensorelements gemäß einemersten Ausführungsbeispielder Erfindung,
    [0034] 2 eine auseinandergezogeneDarstellung des Gassensorelements gemäß 1,
    [0035] 3 eine Teilschnittansicht,die das Hineinströmenvon Gas in das Gassensorelement gemäß 1 veranschaulicht,
    [0036] 4 eine grafische Darstellungeiner experimentell gemessenen Beziehung zwischen dem Volumen einerMessgaskammer und einer Ausgangssignalabweichung des Gassensorelementsgemäß 1 bei einem Kaltstart derBrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs,
    [0037] 5 eine grafische Darstellungeiner experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichungdes Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart derBrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und dem Verhältnis desVolumens einer Messgaskammer zu dem Bereich einer der Messgaskammerausgesetzten Messgaselektrode,
    [0038] 6 eine grafische Darstellungeiner experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichungdes Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart derBrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der Höhe einerMessgaskammer,
    [0039] 7, 8, 9 und 10 grafische Darstellungen zurVeranschaulichung der Verteilung eines Gases, das durch eine Diffusionswiderstandsschichthindurchgetreten ist und eine Messgaselektrode 21 erreichthat, fürHöhen h= 2 μm,5 μm, 10 μm und 30 μm, die durcheine Monte Carlo-Simulationgemessen wurden,
    [0040] 11 eine grafische Darstellungeiner experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichungdes Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart derBrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeitdes Gassensorelements,
    [0041] 12 eine Querschnittsansichteines Gassensorelements gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder Erfindung,
    [0042] 13 eine Querschnittsansichteines Gassensorelements gemäß einemdritten Ausführungsbeispielder Erfindung, und
    [0043] 14 eine grafische Darstellungeiner Ausgangssignalabweichung eines Gassensorelements des Standesder Technik währendeines Aktivierungs-Übergangszustandsdes Gassensorelements.
    [0044] Inden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelementein mehreren Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in den 1, 2 und 3 einGassensorelement 1 gemäß einemersten Ausführungsbeispielder Erfindung veranschaulicht. Dieses Gassensorelement 1 istim Körpereines Gassensors angeordnet, der im Abgasrohr der Brennkraftmaschineeines Kraftfahrzeugs zur Messung der Konzentration von Sauerstoff(O2) in den Abgasen der Brennkraftmaschineangebracht sein kann, um bei einem Abgasemissions-Regelsystem dasden Brennräumender Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis zurRegelung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine zu bestimmen.Da der Gesamtaufbau eines solchen Gassensors im Rahmen der Erfindungnicht von Bedeutung ist, erübrigtsich eine detaillierte Beschreibung.
    [0045] DasGassensorelement 1 wird von einer Schichtanordnung bzw.einem Laminat aus einer Heizeinrichtung 19, einem Distanzstück 13,einer Isolierschicht 12, einer Sauerstoffionen leitendenFestelektrolytschicht 11, einem Distanzstück 14,einer Diffusionswiderstandsschicht 15 und einer undurchlässigen Schicht 16 gebildet.
    [0046] Fernerumfasst das Gassensorelement 1 eine Messgaselektrode 21 undeine Bezugsgaselektrode 22, die an einander gegenüberliegendenOberflächender Festelektrolytschicht 11 zur Bildung einer elektrochemischenZelle 2 angeordnet sind. In dem Distanzstück 13 istin Verbindung mit der Isolierschicht 12 eine Bezugsgaskammer 13 ausgebildet,in die ein Bezugsgas wie Luft eingeführt wird. In dem Distanzstück 14 istin Verbindung mit der Festelektrolytschicht 11 und derDiffusionswiderstandsschicht 15 eine Messgaskammer 23 ausgebildet,in die zu messende Abgase der Brennkraftmaschine eintreten (die nachstehendauch als Messgas bezeichnet sind). Wie nachstehend noch näher beschriebenist, besitzt die Messgaskammer 23 ein Volumen Vc von 0,15 mm3 oder weniger. Die Bezugsgaselektrode 22 ist hierbeider Bezugsgaskammer 24 ausgesetzt, während die Messgaselektrode 21 derMessgaskammer 23 ausgesetzt ist.
    [0047] Wiein 2 im einzelnen veranschaulicht ist,besteht die Heizeinrichtung 19 aus einem Heizsubstrat 190,einem Heizelement 191 sowie zwei Zuleitungen bzw. Leiterbahnen 192.Das Heizelement 191 und die Leiterbahnen 192 sindan einer Oberflächedes Heizsubstrats 190 angebracht. Die Leiterbahnen 192 sindhierbei überin dem Heizsubstrat 190 ausgebildete und mit einem leitendenMaterial beschichtete Öffnungen 193 mitan der Unterseite des Heizsubstrats 190 angebrachten Anschlüssen 194 verbunden.Die Anschlüsse 194 sindmit einer (nicht dargestellten) Stromversorgungseinrichtung elektrischverbunden, überdie das Heizelement 191 zur Erwärmung des Gassensorelements 1 aufeine füreine korrekte Arbeitsweise des Gassensorelements 1 erforderliche,vorgegebene Aktivierungstemperatur mit Strom versorgt wird.
    [0048] Indem Distanzstück 13 isteine in Längsrichtungverlaufende Ausnehmung 130 ausgebildet, die die Bezugsgaskammer 24 darstellt.
    [0049] Inder Isolierschicht 12 ist eine Öffnung oder ein Fenster 120 ausgebildet, über dasdie Bezugsgaselektrode 22 der Bezugsgaskammer 24 ausgesetzt ist.
    [0050] DieFestelektrolytschicht 11 besitzt eine Oberfläche 111,an der die Messgaselektrode 21, eine Leiterbahn 211 undein Anschluss 212 angebracht sind. Der Anschluss 212 istan der Außenseite desGassensorelements 1 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 11 besitztaußerdemeine Oberfläche 112,die von der Isolierschicht 12 bedeckt wird. Die Bezugsgaselektrode 22 ist über dasFenster 120 der Isolierschicht 12 an der Oberfläche 112 angebracht und über eineLeiterbahn 221 mit einem Innenanschluss 222 elektrischverbunden. Der Innenanschluss 222 und die Leiterbahn 221 sindan einer Oberflächeder Isolierschicht 12 angebracht. Die Bezugsgaselektrode 22 ist über in derIsolierschicht 12 und der Festelektrolytschicht 11 ausgebildeteund mit einem leitenden Material beschichtete Öffnungen 223 und 224 miteinem an der Festelektrolytschicht 11 angebrachten Anschluss 225 elektrischverbunden.
    [0051] DieMessgaselektrode 21, die Festelektrolytschicht 11 unddie Bezugsgaselektrode 22 bilden hierbei die elektrochemischeZelle 2.
    [0052] Indem an der Oberfläche 11 derFestelektrolytschicht 11 angebrachten Distanzstück 14 istein Fenster 140 ausgebildet, in dem die Messgaselektrode 21 angeordnetist. Das Distanzstück 14 weistim wesentlichen die gleiche Breite wie die Festelektrolytschicht 11 aufund ist geringfügiglängerals die Messgaselektrode 21.
    [0053] DieDiffusionswiderstandsschicht 15 besteht aus einem porösen Materialund ist an dem Distanzstück 14 zum Schließen desFensters 140 angebracht. Die undurchlässige Schicht 16 bestehtaus einem gasundurchlässigenMaterial und ist an der Oberseite der Diffusionswiderstandsschicht 15 angebracht.Anstelle der Diffusionswiderstandsschicht 15 kann auchin der undurchlässigenSchicht 16 ein Nadelloch als Diffusionswiderstand ausgebildetwerden, das dazu dient, die Diffusion von in das Gassensorelement 1 eintretendemGas minimal zu halten. Dieses Nadelloch kann auch mit einem porösen Materialgefülltsein. Anstelle des Nadellochs kann auch ein teilweise mit einemporösenMaterial gefüllterGaseinlassweg ausgebildet werden, der mit der Messgaskammer 23 inVerbindung steht.
    [0054] DasGassensorelement 1, das zur Einführung von Gas in die Messgaskammer 23 über einen solchenDiffusionswiderstand ausgestaltet ist, erzeugt dann einen Grenzstromals Funktion der Konzentration des in dem Gas enthaltenen Sauerstoffs, d.h.,ohne diesen Diffusionswiderstand steigt der zwischen den Elektroden 21 und 22 fließende Strombei einem Anstieg einer angelegten Spannung ebenfalls an, während beiVorhandensein des Diffusionswiderstands innerhalb bestimmter Spannungsbereiche ebenebzw. flache Abschnitte auftreten, in denen der Strom unabhängig voneinem Anstieg der an die Elektroden 21 und 22 angelegtenSpannung konstant gehalten wird. Der Strom (d.h., der Grenzstrom)in diesen flachen bzw. ebenen Abschnitten entspricht jeweils derKonzentration von Sauerstoff in der Messgaskammer 23.
    [0055] DasHeizsubstrat 190, das Distanzstück 13, die Isolierschicht 12,das Distanzstück 14 unddie undurchlässigeSchicht 16 bestehen sämtlichaus einem gasundurchlässigendichten Aluminiumoxid-Keramikmaterial. Die Festelektrolytschicht 11 besteht hierbeiaus teilweise stabilisiertem Zirkondioxid. Die Diffusionswiderstandsschicht 15 bestehthingegen aus einem gasdurchlässigenporösenAluminiumoxid-Keramikmaterial.
    [0056] Außer derFestelektrolytschicht 11 können die anderen Teile auseinem Keramikmaterial wie Zirkondioxid bestehen, um das Auftretenvon Schrumpferscheinungen bei einem bei der Herstellung des Gassensorelements 1 erfolgendenEinbrennvorgang (Ofentrocknung) zu vermeiden.
    [0057] DieMessgaskammer 23 ist somit in der vorstehend beschriebenenWeise von der Festelektrolytschicht 11, dem Distanzstück 14 undder Diffusionswiderstandsschicht 15 umgeben.
    [0058] Wiein 3 im einzelnen veranschaulicht ist,besitzt die Diffusionswiderstandsschicht 15 eine Seitenfläche 151,die nicht von der undurchlässigen Schicht 16 bedecktist. Das durch Pfeile G gekennzeichnete Messgas tritt in diese Seitenfläche 151 ein. Wennsich das in der Messgaskammer 23 befindliche bzw, verbleibendeMessgas währenddes Aktivierungs-Übergangszustandsdes Gassensorelements 1 (d.h., der elektrochemischen Zelle 2)ausdehnt, tritt es durch die Diffusionswiderstandsschicht 15 hindurchund wird überdie Seitenfläche 151 inden Außenbereichdes Gassensorelements 1 abgeführt.
    [0059] DasVolumen Vc der Messgaskammer 23 beträgt 0,13 mm3 undkann dreidimensional unter Verwendung eines CT-Röntgenabtastgeräts gemessenwerden. Das hier beschriebene Volumen Vc stellt ein Nettovolumender Messgaskammer 23 dar, das die Messgaselektrode 21 nichteinschließt.Wenn z.B. anstelle der Diffusionswiderstandsschicht 15 ein Nadellochin der undurchlässigenSchicht 16 ausgebildet ist, umfasst das Volumen Vc nichtdas Volumen des Nadelloches.
    [0060] Dieelektrochemische Zelle 2 dient als Pumpzelle, die beimAnlegen einer Spannung an die Messgaselektrode 21 und dieBezugsgaselektrode 22 Sauerstoff (O2)aus der Messgaskammer 23 herauspumpt oder in die Messgaskammer 23 hineinpumpt. Wennz.B. an die Messgaselektrode 21 und die Bezugsgaselektrode 22 eineSpannung derart angelegt wird, dass das höhere Potential an der Messgaselektrode 21 ansteht,dient die an dem niedrigeren Potential liegende Bezugsgaselektrode 22 zurAufspaltung oder Ionisierung von Sauerstoffmolekülen und Erzeugung von Sauerstoffionen,die sich wiederum zu der Messgaselektrode 21 bewegen undauf diese Weise wieder zu Sauerstoffmolekülen reduziert werden. DieserVorgang wird im allgemeinen als Sauerstoff-Pumpvorgang bezeichnet.
    [0061] DieMessgaselektrode 21 besitzt einen Pumpbereich, der denSauerstoff-Pumpvorgang ermöglichtund eine im wesentlichen parallel zu der Festelektrolytschicht 11 verlaufendeund der Messgaskammer 23 ausgesetzte Maximalfläche Sp aufweist.Diese FlächeSp beträgt7,5 mm2 und erfüllt die Beziehung Vc/Sp = 0,017mm.
    [0062] DieHöhe hder Messgaskammer 23 in Laminierungsrichtung (bzw. Dickenrichtung)des Gassensorelements 1, d.h., der 3 entnehmbare Abstand zwischen einemTeil der der Messgaskammer 23 ausgesetzten Oberfläche 111 derFestelektrolytschicht 11 und einem Teil der der Messgaskammer 23 ausgesetztenOberfläche 151 derDiffusionswiderstandsschicht 15 beträgt 15 μm.
    [0063] EineFehlfunktion des Gassensorelements 1 mit der Folge einerAbweichung seines Ausgangssignals beruht üblicherweise auf dem Umstand,dass die auf einer schnellen Erwärmungdes Gassensorelements 1 während dessen Aktivierungs-Übergangszustandsberuhende Ausdehnung des in der Messgaskammer 23 befindlichenbzw. verbleibenden Gases von der Diffusionswiderstandsschicht 15 behindertund damit das Eintreten von Abgasen aus dem Außenbereich des Gassensorelements 1 indie Messgaskammer 23 erschwert wird.
    [0064] ZurVermeidung dieses Problems ist das Gassensorelement 1 dahingehendausgestaltet, dass das Volumen Vc der Messgaskammer 23 auf 0,15mm3 oder weniger begrenzt ist, um die inder Messgaskammer 23 befindliche Gasmenge minimal zu haltenund auf diese Weise vor der Beendigung der Aktivierung des Gassensorelements 1 dieAbführungdes Gases aus der Messgaskammer 23 abzuschließen. Hierdurchkann die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 während desAktivierungs-Übergangszustandsminimal gehalten und die Aktivierung beschleunigt werden.
    [0065] DasGassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispielist derart aufgebaut, dass das Gas in der Messgaskammer 23 innerhalbvon fünf(5) Sekunden in den Außenbereichdes Gassensorelements 1 abgeführt wird. Bei Verwendung desGassensorelements 1 könnensomit Abgasemissions-Regelsystemeinnerhalb von fünf(5) Sekunden nach einem Starten der Brennkraftmaschine in einen normalenBetriebszustand versetzt werden. Hierdurch ist eine Steigerung desWirkungsgrades der Abgasreinigung bei Verwendung eines Dreifachkatalysatorsunmittelbar nach einem Starten der Brennkraftmaschine erzielbar,wodurch sich der Betrag an HC-Abgasemissionen in erheblichem Maße verringernlässt.
    [0066] 4 zeigt eine experimentellgemessene Beziehung zwischen dem Volumen Vc der Messgaskammer 23 undder Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 beieinem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
    [0067] Eswurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben hergestellt,die den gleichen Aufbau wie das vorstehend beschriebene Gassensorelement 1 aufwiesen.Diese Testexemplare bzw. Messproben besaßen Volumina Vc der Messgaskammer 23,die in einem Bereich von 0 bis 0,35 mm3 lagen.Einige Testexemplare bzw. Messproben besaßen ein Volumen Vc von Null(0), bei dem die Messgaselektrode 21 das gesamte Fenster 140 inAnspruch nahm und sich in engem Kontakt mit der Diffusionswiderstandsschicht 15 befand.In 4 ist über derOrdinate eine Ausgangssignalabweichung aufgetragen, die die Differenzzwischen dem maximalen Ausgangssignal der jeweiligen Testexemplarebzw. Messproben, das sich bei einer für fünf (5) Sekunden erfolgendenErwärmungeines Testexemplars zu dessen Aktivierung in einer 4 % Sauerstoffenthaltenden Stickstoffatmosphäreergibt, und dem nach der Erwärmungin einem stationärenbzw. eingeschwungenen Zustand erhaltenen Ausgangssignal darstellt. Über derAbszisse ist das Volumen Vc der Messgaskammer 23 aufgetragen.
    [0068] Wie 4 zu entnehmen ist, zeigtendie Testexemplare bzw. Messproben bei einem Volumen Vc von 0,15mm3 oder weniger kaum Ausgangssignalabweichungenund arbeiteten genau.
    [0069] 5 zeigt eine experimentellgemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 beieinem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und demVerhältnisdes Volumens Vc der Messgaskammer 23 zu der Fläche Sp derder Messgaskammer 23 ausgesetzten Messgaselektrode 21.
    [0070] Eswurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben hergestellt,die den gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1 aufwiesen.Diese Testexemplare bzw.
    [0071] MessprobenbesaßenVc-Sp-Verhältniswerte,die in einem Bereich von 0 bis 0,035 mm lagen. Bei einigen Testexemplarenwar das Distanzstück 14 entferntworden, sodass sich die Messgaselektrode 21 in engem Kontaktmit der Diffusionswiderstandsschicht 15 befand und einVc-Sp-Verhältnis vonNull (0) vorlag. In 5 ist über derOrdinate wie im Falle von 4 dieAusgangssignalabweichung aufgetragen, während über der Abszisse das Vc-Sp-Verhältnis aufgetragenist.
    [0072] Wie 5 zu entnehmen ist, tretenbei den Testexemplaren bei einem Vc-Sp-Verhältnis (d.h., Vc/Sp) von 0,02mm oder weniger kaum unerwünschteAusgangssignalabweichungen auf, die die Arbeitsweise von Abgasemissions-Regelsystemen beeinträchtigen.Ein größeres Vc-Sp-Verhältnis als 0,02mm (d.h., Vc/Sp ≥ 0,02mm) führtdagegen zu einer verringerten Abführung des Gases aus der Messgaskammer 23,sodass viel Zeit vergeht, bis die Ausgangssignalabweichung konvergiertoder endet. Falls das Gassensorelement 1 eine Vielzahlvon Pumpelektroden aufweist, bezeichnet die Fläche Sp im übrigen den Gesamtbereich bzw.die Gesamtflächeder Pumpelektroden, die der Messgaskammer 23 ausgesetztsind.
    [0073] 6 zeigt eine experimentellgemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 beieinem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und dervorstehend beschriebenen Höheh der Messgaskammer 23.
    [0074] Eswurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben mit dem gleichenAufbau wie das Gassensorelement 1 hergestellt. Diese Testexemplarebesaßenjeweilige Höhenwerteh in einem Bereich von 0 bis 0,035 mm. Einige Testexemplare wieseneinen Aufbau auf, bei dem das Distanzstück 14 entfernt war,sodass sich die Messgaselektrode 21 in engem Kontakt mit derDiffusionswiderstandsschicht 15 befand und die Höhe h denWert Null (0) aufwies. In 6 istwie bei 4 über derOrdinate die Ausgangssignalabweichung aufgetragen, während über derAbszisse die Höheh aufgetragen ist.
    [0075] Wie 6 zu entnehmen ist, tretenbei den Textexemplaren bei einer Höhe h von 0,015 mm (d.h., 15 μm) oder wenigerkaum unerwünschteAusgangssignalabweichungen auf, die die Arbeitsweise von Abgasemissions-Regelsystemenbeeinträchtigen.
    [0076] Inden 7 bis 10 ist jeweils die Verteilung einesGases, das durch die Diffusionswiderstandsschicht 15 hindurchgetretenist und die Messgaselektrode 21 erreicht hat, für die durchMonte Carlo-Simulationen gemessenen Höhen h = 2 μm, 5 μm, 10 μm und 30 μm dargestellt.
    [0077] DieSimulationen wurden durchgeführt,indem das Verhalten von Gaspartikeln zwischen deren Eintreten indie Diffusionswiderstandsschicht 15 und dem Zeitpunkt desErreichens der Messgaselektrode 21 unter Verwendung desMonte Carlo-Verfahrens bestimmt und die Verteilung des Gases über die Messgaselektrode 21 ermitteltwurde. Die Gasverteilungen gemäß den 7 bis 10 erstrecken sich in der in 3 veranschaulichten Weisevom Ende P1 bis zur Mitte P2 der Messgaselektrode 21.
    [0078] DieMonte Carlo-Simulation stellt ein statistisches Verfahren dar, dasdas Verhalten von jeweiligen Objekten wie Gaspartikeln, die sichzufallsbedingt bewegen, unter Verwendung von Zufallszahlen beschreibtund dieses Phänomenund die Verteilung statistisch ausdrückt. Die Simulationen wurdenzur Bestimmung der Richtung der Brown'schen Molekularbewegung der jeweiligenGaspartikel nach ihrer Kollision miteinander auf der Basis von Änderungen der Bewegungsrichtungder Gaspartikel unter Verwendung gleichförmiger Zufallszahlen durchgeführt.
    [0079] DenDiagrammen gemäß den 7 bis 10 ist zu entnehmen, dass eine über 5 μm liegende Höhe h derMessgaskammer 23 dazu führt,dass das Messgas die Mitte P2 der Messgaselektrode 21 erreicht,währendbei einer über10 μm liegendenHöhe hder Messgaskammer 23 eine im wesentlichen gleichförmige Verteilungdes überwiegendenMessgases von dem Ende P1 bis zur Mitte P2 der Messgaselektrode 21 gewährleistetist. Die Figuren zeigen außerdem,dass sich bei einer unter 2 μmliegenden Höheh der Messgaskammer 23 die die Mitte P2 der Messgaselektrode 21 erreichendeMenge des Messgases verringert bzw. ein Anstieg der Menge des Messgasesauf der Seite des Endes P1 auftritt, was zu einer Instabilität des vonder elektrochemischen Zelle 2 erzeugten Grenzstroms (d.h.,zu Unregelmäßigkeitenin Bezug auf die Bereiche des Grenzstroms) und damit zu einer verringertenMessgenauigkeit des Gassensorelements 1 führt, während bei einerHöhe hvon 30 μmder Messgaskammer 23 das Volumen Vc der Messgaskammer 23 zugroß sein kann,um die erfindungsgemäßen Vorteilezu erzielen.
    [0080] Ausder vorstehend beschriebenen Analyse ergab sich somit, dass dieHöhe hvorzugsweise zwischen 5 μmund 18 μmliegen sollte, wobei der Bereich zwischen 10 μm und 15 μm zu bevorzugen ist.
    [0081] 11 zeigt eine experimentellgemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 beieinem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und derAnstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 (d.h.,der Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Gassensorelements 1 erhöht wird).
    [0082] Eswurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben mit dem gleichenAufbau wie das Gassensorelement 1 hergestellt. Die Temperatureinstellungdes Gassensorelements 1 wurde durch Vergrößerung oderVerringerung der der Heizeinrichtung 19 zugeführten elektrischenLeistung erzielt. Eine Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von Null(0) beinhaltet, dass die Heizeinrichtung 19 abgeschaltetist bzw. sich in einem Ruhezustand befindet. In 11 ist wie bei 4 überder Ordinate die Ausgangssignalabweichung aufgetragen, während über derAbszisse die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 aufgetragenist.
    [0083] Wie 11 zu entnehmen ist, tretenbei einer Anstiegsgeschwindigkeit von 250°C/s oder weniger keine unerwünschtenAusgangssignalabweichungen bei den Testexemplaren auf. Wenn dieAnstiegsgeschwindigkeit unter 100°C/sliegt, ist allerdings eine schnelle Aktivierung des Gassensorelements 1 inFrage gestellt. Bei einer über250°C/sliegenden Anstiegsgeschwindigkeit kann dagegen die Temperatur derHeizeinrichtung 19 einen oberen Grenzwert des Wärmeschockwiderstandsdes Gassensorelements 1 überschreiten. Zweckmäßigerweisesollte daher die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 aufeinen zwischen 100°C/sund 250°C/sliegenden Bereich eingestellt werden. Hierdurch kann die Temperaturdes Gassensorelements 1 von Raumtemperatur auf eine gewünschte Aktivierungstemperaturinnerhalb von fünf(5) Sekunden erhöhtwerden. Wenn das Gassensorelement 1 im Abgasrohr der Brennkraftmaschine einesKraftfahrzeugs angeordnet ist und in der vorstehend beschriebenenWeise im Rahmen eines Abgasemissions-Regelsystems Verwendung findet, wirddurch eine Erwärmungdes Gassensorelements 1 mit einer Anstiegsgeschwindigkeitzwischen 100°C/sund 250°C/seine in der gewünschtenWeise erfolgende Regelung von HC-Abgasemissionenunmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht,wodurch sich kürzlichverschärfteAbgasvorschriften erfüllenlassen.
    [0084] 12 zeigt ein Gassensorelement 3 gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder Erfindung, das einen zwei Zellen umfassenden Aufbau aufweistund von einer Schichtanordnung bzw. einem Laminat aus Festelektrolytschichten 31 und 34,Distanzstücken 32 und 35,einer Isolierschicht 36 und einem Heizsubstrat 37 gebildetwird.
    [0085] DasGassensorelement 3 besitzt eine Messgaskammer 320,die von den Festelektrolytschichten 31 und 34 unddem Distanzstück 32 umgebenist. Das Messgas gelangt überein durch die Festelektrolytschicht 31 und eine poröse Schicht 33 hindurch verlaufendesLoch 310 in die Messgaskammer 320. Die poröse Schicht 33 istzwischen den Festelektrolytschichten 31 und 34 angeordnetund dient als Diffusionswiderstand. Das Gassensorelement 3 besitzt außerdem eineBezugsgaskammer 350, die von der Festelektrolytschicht 34,dem Distanzstück 35 und derIsolierschicht 36 umgeben ist.
    [0086] DasGassensorelement 3 umfasst weiterhin eine erste elektrochemischeZelle 41 und eine zweite elektrochemische Zelle 42.Die erste elektrochemische Zelle 41 besteht aus der Festelektrolytschicht 31 undzwei, an der Festelektrolytschicht 31 angebrachten Elektroden 411 und 412.Hierbei ist die Elektrode 411 direkt dem im Außenbereichdes Gassensorelements 3 vorhandenen Messgas ausgesetzt,währenddie Elektrode 412 der Messgaskammer 320 ausgesetztist. Die Elektroden 411 und 412 sind hierbei ringförmig ausgebildet.
    [0087] Diezweite elektrochemische Zelle 42 besteht aus der Festelektrolytschicht 34 undzwei, an der Festelektrolytschicht 34 angebrachten Elektroden 421 und 422.Hierbei ist die Elektrode 421 der Messgaskammer 320 ausgesetzt,währenddie Elektrode 422 der Bezugsgaskammer 350 ausgesetztist. Die Elektrode 421 ist ringförmig ausgebildet.
    [0088] Dieerste elektrochemische Zelle 41 dient als Pumpzelle, dieSauerstoff (O2) aus der Messgaskammer 320 inden Außenbereichdes Gassensorelements 3 abpumpt oder aus dem Außenbereichdes Gassensorelements 3 in die Messgaskammer 320 hineinpumptund hierbei bewirkt, dass zwischen den Elektroden 411 und 412 einSauerstoffionenstrom I fließt.Die zweite elektrochemische Zelle 42 dient dagegen alsSensorzelle, die zwischen den Elektroden 421 und 422 eineQuellenspannung (EMK) V als Funktion der Konzentrationsdifferenzvon Sauerstoff zwischen der Messgaskammer 320 und der Bezugsgaskammer 350 erzeugt.Diese Quellenspannung (EMK) V dient dazu, die an die Elektroden 411 und 412 derersten elektrochemischen Zelle 41 angelegte Spannung dahingehendzu steuern, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 320 konstantgehalten wird, d.h., der Sauerstoffionenstrom I wird als Funktiondes Luft-Kraftstoff-Verhältnisseserzeugt, indem der Sauerstoffionenstrom I zur Konstanthaltung derQuellenspannung V derart eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentrationin der Messgaskammer 320 konstant gehalten werden kann.
    [0089] DasVolumen Vc der Messgaskammer 320 beträgt wie im Falle des erstenAusführungsbeispiels 0,15mm3 oder weniger, wodurch im wesentlichendie gleichen Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
    [0090] DasGassensorelement 3 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispieldahingehend ausgestaltet, dass das Vc-Sp-Verhältnis kleiner als 0,02 mm ist (d.h.,Vc/Sp < 0,02 mm),wodurch die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 3 während dessenAktivierungs-Übergangszustandsminimal gehalten wird. Hierbei ist mit Sp der Bereich bzw. die Fläche derElektrode 412 bezeichnet.
    [0091] 13 zeigt ein Gassensorelement 5 gemäß einemdritten Ausführungsbeispielder Erfindung, das in Form von zwei Zellen aufgebaut ist und eineseparate Heizeinrichtung 502 aufweist.
    [0092] DiesesGassensorelement 5 besteht im wesentlichen aus einem Elementkörper 501 undder Heizeinrichtung 502, die gegenüber dem Elementkörper 501 ineinem Abstand bzw. Zwischenraum 500 angeordnet ist. DerElementkörper 501 besteht ausFestelektrolytschichten 51 und 53 sowie aus einemDistanzstück 52,das von einem porösenMaterial gebildet wird. Die Heizeinrichtung 502 besteht auseiner Isolierschicht 54 und einem Heizsubstrat 55,auf dem ein Heizelement 550 ausgebildet ist.
    [0093] DerElementkörper 501 besitzteine von den Festelektrolytschichten 51 und 53 unddem Distanzstück 52 gebildeteMessgaskammer 520. Weiterhin umfasst der Elementkörper 501 eineerste elektrochemische Zelle 43 sowie eine zweite elektrochemischeZelle 44. Die erste elektrochemische Zelle 43 umfassteine in die Festelektrolytschicht 51 eingebettete Elektrode 431 sowieeine der Messgaskammer 520 ausgesetzte Elektrode 432.Die zweite elektrochemische Zelle 44 besteht aus der Festelektrolytschicht 53 undzwei, an der Festelektrolytschicht 53 angebrachten Elektroden 441 und 442.Die Elektrode 441 ist hierbei der Messgaskammer 520 ausgesetzt, während dieElektrode 442 direkt dem im Außenbereich des Gassensorelements 5 vorhandenenund durch den Zwischenraum 500 strömenden Messgas ausgesetzt ist.
    [0094] DasDistanzstück 52 bestehthierbei aus einem porösenMaterial und dient als Diffusionswiderstandsschicht, wobei das Messgas über eineSeitenfläche 525 desDistanzstücks 52 indie Messgaskammer 520 eintritt.
    [0095] Diezweite elektrochemische Zelle 44 wirkt in Abhängigkeitvon einer angelegten Spannung als Pumpzelle, die Sauerstoff (O2) aus der Messgaskammer 520 inden Außenbereichdes Gassensorelements 5 abpumpt oder aus dem Außenbereichdes Gassensorelements 5 in die Messgaskammer 520 hineinpumptund hierbei das Fließeneines Sauerstoffionenstroms I zwischen den Elektroden 441 und 442 herbeiführt.
    [0096] Dieerste elektrochemische Zelle 43 ionisiert in Abhängigkeitvom Anlegen einer schwachen Spannung in der Nähe der Elektrode 432 befindliche Sauerstoffmoleküle, diesich wiederum in Richtung der Elektrode 431 bewegen, waszu einer Potentialdifferenz V zwischen den Elektroden 431 und 432 führt.
    [0097] DerSauerstoffionenstrom I wird als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisseserzeugt, indem der Sauerstoffionenstrom I zur Konstanthaltung derPotentialdifferenz V derart eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentrationin der Messgaskammer 520 konstant gehalten werden kann.
    [0098] DasVolumen Vc der Messgaskammer 520 beträgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel0,15 mm3 oder weniger, wodurch im wesentlichendie gleichen Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten werden.
    [0099] DasGassensorelement 5 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispieldahingehend ausgestaltet, dass das Vc-Sp-Verhältnis kleiner als 0,02 mm ist (d.h.,Vc/Sp < 0,02 mm),wodurch die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 5 während dessenAktivierungs-Übergangszustandsminimal gehalten wird. Hierbei bezeichnet Sp den Bereich bzw. dieFlächeder Elektrode 441.
    [0100] Erfindungsgemäß wird somitein Gassensorelement angegeben, das zur Messung der Konzentrationeines Gases wie O2 Verwendung finden kann. DasGassensorelement ist in Form einer Schichtanordnung bzw. eines Laminatsaufgebaut und dahingehend ausgestaltet, dass das zu messende Gas über einenDiffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird. Die Messgaskammerbesitzt ein Volumen von 0,15 mm3, um während einesthermischen Aktivierungs-Übergangszustandsdes Gassensorelements das Abführendes in der Messgaskammer verbleibenden Gases zu erleichtern.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Gassensorelement mit Schichtaufbau, gekennzeichnetdurch einen Diffusionswiderstand, eine Messgaskammer,in die ein zu messendes Gas überden Diffusionswiderstand eingeführtwird, ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, einean dem Festelektrolytelement angeordnete Messgaselektrode, die demin der Messgaskammer befindlichen Gas ausgesetzt ist, und einean dem Festelektrolytelement angeordnete Bezugsgaselektrode, dieeinem Bezugsgas ausgesetzt ist und zusammen mit der Messgaselektrodeeine elektrochemische Zelle bildet, wobei die Messgaskammerein Volumen von 0,15 mm3 oder weniger aufweist.
    [2] Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Messgaselektrode als Pumpelektrode wirkt, die in dem Gasenthaltenen Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt oder ausder Messgaskammer herauspumpt und einen der Messgaskammer ausgesetztenBereich Sp aufweist, der die Bedingung Vc/Sp < 0,02 mm erfüllt, wobei Vc das Volumen derMessgaskammer angibt.
    [3] Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelementseine Höhevon 5 μmbis 18 μmaufweist.
    [4] Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelementseine Höhevon 10 μmbis 15 μmaufweist.
    [5] Gassensorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnetdurch eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gassensorelementsauf eine zu dessen Aktivierung erforderliche Temperatur, die dieTemperatur des Gassensorelements mit einer Geschwindigkeit von 100°C/s bis 250°C/s erhöht.
    [6] Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass außerder als Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle eine weitereelektrochemische Zelle vorgesehen ist, die als Sensorzelle dient,dass die Sensorzelle eine an dem Festelektrolytelement angeordneteund der Messgaskammer ausgesetzte Sensorzellenelektrode aufweistund zur Erzeugung eines elektrischen Signals dient, das die Konzentrationsdifferenzzwischen einem spezifischen Bestandteil des Gases in der Messgaskammer undeinem spezifischen Bestandteil des Bezugsgases angibt, und dassdas elektrische Signal zur Steuerung des Betriebs der Pumpzelledient.
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