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    公开号:WO1989009933A1
    申请号:PCT/DE1989/000174
    申请日:1989-03-21
    公开日:1989-10-19
    发明作者:Hans-Martin Wiedenmann；Gerhard Schneider；Kurt Bayha
    申请人:Robert Bosch Gmbh；
    IPC主号:G01N27-00
    专利说明:
    [0001] Planare polarographische Sonde zur Bestimmung des λ -Wertes von Gasgemischen
    [0002] Stand der Technik
    [0003] Die Erfindung geht aus von einer planaren polarographischen Sonde nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derartigen polarographischen Sonden, die nach dem Diffusionswiderstandsprinzip arbeiten, wird der Diffusionsstrom bei einer konstanten, an den beiden Elektroden der Sonde anliegenden Spannung oder der Diffusionsgrenzstrom gemessen. Dieser Strom ist in einem bei Verbrennungs vor gangen entstehenden Abgas von der Sauerstoffkonzentration solange abhängig, wie die Diffusion des Gases zur Pumpe lektrode die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktion bestimmt. Es ist bekannt, derartige, nach dem polangraphischen Meßprinzip arbeitende polarographische Sonden in der Weise aufzubauen, daß sowohl Anode als auch Kathode dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, wobei die Kathode eine Diffusionsbarriere aufweist.
    [0004] Die bekannten polarographischen Sonden dienen in der Regel zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen, der das Verhältnis "Gesamtsauerstoff/zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Sauerstoff" des in einem Zylinder verbrennende Luft/Kraftstoffgemisches bezeichnet, wobei die Sonden den Sauerstoffgehalt des Abgases über eine elektrochemische Potentialänderung ermitteln. Aufgrund einer vereinfachten, und kostengünstigen Herstellungsweise hat sich in der Praxis in den letzten Jahren die Herstellung von in Keramikfolien- und Siebdruckte chnik herstellbaren Sonden und Sensorelementen durchgesetzt.
    [0005] In einfacher und rationeller Weise lassen sich planare polarographische Sonden aus gehend von plättchen- oder folienförmigen sauerstoffleitenden. Festelektrolyten, z. B . aus stabilisiertem Zirkondioxid, herste llen , die beidseitig mit je einer inneren und äußeren Pumpelektrode mit dazugehörigen Leiterbahnen be schichtet werden. Die innere Pumpelektrode be findet sich dabei in vorteilhafter Weise im Randbereich eines Diffusionskanals , durch den das Meßgas zugeführt wird, und der als Gasdiffusionswiderstand dient.
    [0006] Aus der DE-OS 35 43 759 sowie den EP-A 0 142 992 , 0 142 993 , 0 188 900 und 0 194 082 sind ferner Sensorelemente und Detektoren bekannt, denen gemein ist , daß sie jewe ils eine Pump zelle und eine Sensorzelle aufwe isen, die aus plättchen- oder folienförmigen Sauerstoffle itenden Festelektrolyten und zwe i hierauf angeordneten Elektroden bestehen und einen gemeinsamen Diffusionskanal aufweisen.
    [0007] Ein gewisser Nachteil bekannter polarographischer Sonden und Sensore lemente besteht darin , daß der vordere , dem zugeführten Meßgas zugewandte Teil der inneren Pumpelektrode stärker als der hintere , dem zuge führten Meßgas abgewandte Teil de r Pumpelektrode beansp rucht wird . Dies führt zu einer hohen Elektrodenpolarisation, die eine hohe Pumpspannung erfordert. Letztere wie derum birgt die Gefahr einer Elektrolytzersetzung im Bereich der inneren Pumpelektrode in sich .
    [0008] In der DE-OS 37 28 618 wird daher vorgeschlagen, in e inem Sensorelement für polarographische Sonden zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen mit einem auf O2 - -Ionen le itenden plättchenoder folienförmigen Festelektrolyten angeordneten äußeren und inneren Pumpelektroden, von denen die innere Pumpelektrode auf dem plättchen- oder folienförmigen Festelektrolyten in einem Diffusionskanal für das Meßgas angeordnet ist, sowie mit Leiterbahnen für die Pumpelektröden, in dem Diffusionskanal auf der der inneren Pumpelektrode gegenüberliegenden Seite mindestens eine zweite innere Pumpelektrode anzuordnen, die mit der ersten inneren Pumpelektrode kurzgeschlossen ist.
    [0009] Nachteilig an bekannten planaren polarographischen Sonden ist ferner, daß ihre Herstellungsweise oft kompliziert und daher aufwending ist, daß der Diffusionswiderstand bei nachfolgenden Prozeßschritten unkontrollierbar beeinflußt und, daß damit die Reproduzierbarkeit des Diffusionswiderstandes unbefriedigend ist und daß weiter dessen Beständigkeit unter scharfer Beanspruchung im Abgas von Verbrennungsmotoren unzureichend ist.
    [0010] Vorteile der Erfindung
    [0011] Die erfindungs gemäße polarographische Sonde mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie einen einfachen und damit fertigungs gerechten Aufbau eines Sensors ermöglicht,
    [0012] daß der Diffusionsbereich der Sonde gegenüber Veränderung bei nachfolgenden Prozeßschritten, z. B. Rißbildung oder Deformation durch Laminieren, Stanzen, Schneiden, Sintern usw. im Gegensatz zu siebgedruckten Diffusionssystemen weitestgehend unempfindlich ist,
    [0013] daß eine erhöhte Reproduzierbarkeit des Diffusionswiderstandes erreicht wird,
    [0014] daß eine direkte, definierte Einflußnahme auf die Sensorcharakteristik über die Auslegung des porös sinternden Formkörpers möglich ist, daß die Anordnung der Gaszuführungsöffnung unabhängig vom Diffusionswiderstand variabel ist,
    [0015] daß das Elektrodendesign in weiten Grenzen variabel ist und daß schließlich die Möglichkeit zu einer Erweiterung zum Bre itbandsensor gegeben ist .
    [0016] Die erfindungsgemäße planare polarographische Sonde läßt sich anstelle bekannter Sonden planarer Struktur verwenden. Die erfindungsgemäße Sonde kann somit als Magersensor für Dieselmotoren, und als solches in ein übliches Sensorgehäuse , z . B . des aus den DE-OS 32 06 903 und 35 37 051 bekannten Typs eingebaut und zur Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem mageren Ab gas verwendet werden.
    [0017] Die erfindungs gemäße polarographische Sonde kann je doch auch außer der Pump zelle zusätzlich noch eine Nernstzelle (Konzentrations zelle) aufweisen, die mit einem zusätz lichen Luftreferenzkanal versehen ist und deren eine Elektrode im Bereich der Pumpelektrode im Diffusionskanal der Pumpzelle angeordne t ist und deren andere Elektrode sich im Luftre ferenzkanal befindet .
    [0018] Eine erfindungsgemäße planare polarographische Sonde läßt sich gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung in einfacher und vorteilhafter Weise durch Zusammenl aminieren und Sintern einer Pumpzelle (A) aus einer ersten Festelektrolytfolie mit mindestens einer äußeren Pumpelektrode und mindestens einer inneren Pumpe lektrode mit einer Diffusionseinheit (B) aus einer zweiten Feste lektrolytfolie und einer dritten, ge gebenenfalls zu einer Heizereinheit (C) ausgebildeten Festelektrolytfolie herste llen.
    [0019] Erfindungs gemäß verwendet man dabe i als Diffusionseinheit (B) eine Festelektrolytfolie mit einer eine Diffus ions zone bildenden Öffnung, in die ein be i Sintertemperatur porös sinternder Form körper eingefügt wird. In vorteilhafter Weise verwendet man als Diffusionseinheit (B) eine Festelektrolytfolie, aus der eine die Diffusionzone bildende Öffnung ausgestanzt worden ist, in die ein aus einer porös sinternden Folie ausgestanzter Folienabschnitt eingefügt wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, als porös sinternde Folieneinlage eine Einlage aus keramischem Material mit einem thermischen Ausdehnungsverhalten zu verwenden, der dem Ausdehnungsverhalten der verwendeten Festelektrolytfolien entspricht oder zumindest nahekommt. Vorzugsweise verwendet man eine Folieneinlage aus dem keramischen Material, aus dem auch die die Sonde aufbauenden Festelektrolytfolien bestehen, wobei die Porosität der Einlage durch Zusatz von Porenbildnern erzeugt werden kann, die beim Sinterprozeß verbrennen, sich zersetzen oder verdampfen. Typische Porenbildner, die verwendet werden können, sind z. B. Thermalrußpulver, Kunststoffe, z. B. auf Polyurethanbasis, Salze, z. B. Ammoniumcarbonat und organische Substanzen, wie z. B. Theobromin und Indanthrenblau. Derartige Porenbildner werden dem porös sinternden Material, z. B. dem zur Herstellung einer porös sinternden Folie verwendeten Ausgangsmaterial in einer solchen Menge zugesetzt, daß ein Material mit einer Porosität von 10 bis 50 1 anfällt. Der mittlere Porendurchmesser, der durch die Teilchengröße des verwendeten Porenbildners bestimmt werden kann, liegt vorzugsweise bei etwa 5 bis 50 μm.
    [0020] Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn man eine porös sinternde Einlage verwendet, deren Durchmesser etwas kleiner und deren Dicke etwas größer als die Dicke der zur Herstellung der Diffusionseinheit verwendeten Folie ist. Hierdurch wird ein sicheres Einfügen des porös sinternden Formkörpers in die vorbereitete Öffnung in der Folie der Diffusionseinheit sowie die Ausbildung eines guten Verbundes zwischen Pumpzelle (A), Diffusionseinheit (B) und Heizereinheit (C) im gesinterten Zustand gewährleistet. Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn der äußere Durchmesser des Elektroden-Layouts etwas kleiner gehalten wird als der Durchmesser der Diffusionszone. Dadurch wird gewährleistet, daß die innere Pumpelektrode innerhalb der porösen Diffusionsbarriere liegt. Als zweckmäßig hat es sich ferner erwiesen, wenn der Durchmesser der Diffusions zone 75 % der Breite der polarographischen Sonde nicht übersteigt.
    [0021] Die Zufuhr des Meßgases kann über ein Diffusionsloch in der Pumpzelle (A), ein Diffusionsloch in der Heizereinheit (C) oder aber auch über die Diffusionseinheit (B) erfolgen. Im letzteren Falle enthält die polarographische Sonde kein Diffusionsloch. Die Diffusionsvorgänge finden in diesem Falle direkt über die porös sinternde Diffusionseinlage statt, die seitlich angeschnitten ist.
    [0022] Der beim Sinterprozeß der polarographischen Sonde porös sinternde Formkörper kann den gesamten Raum der Aussparung in der Folie der Diffusionseinheit (B) einnehmen oder auch nur einen Teil hiervon, wie in den später folgenden Beispielen von vorteilhaften Aus führungs formen erfindungsgemäßer Sonden gezeigt wird. So ist es beispielsweise möglich, den beim Sinterprozeß der polarographischen Sonde porös sinternden Formkörper, z. B. vor dem Ausstanzen aus einer porös sinternden Folie, mit einer im Vorsinterbereich ver brennbaren, verdampfbaren oder zersetzbaren Substanz, wie z. B. Theobromin oder Indanthrenblau, z.B. im Siebdruckverfahren zu beschichten. Bei Verwendung eines solchen Formkörpers entsteht beim Sinterprozeß zwischen der inneren Pumpelektrode und der Einlage ein Spalt, der eine partielle Abdeckung der Pumpelektrode durch den porös sinternden Formkörper verhindert.
    [0023] Der beim Sinterprozeß der polarographischen Sonde porös sinternde Formkörper kann gegebenenfalls eine zentrale Bohrung aufweisen. Die Verwendung eines solchen Formkörpers kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn die Zufuhr des Meßgases in die Diffusionszone über ein Diffusionsloch in der Heizereinheit (C) und/oder Pumpzelle (A) erfolgt. In diesen Fällen befindet sich am Ende des Diffusionsloches keine poröse Diffusionseinlage. Auf diese Weise wird zusätzlich eine Verschmutzung des porös sinternden Formkörpers im Diffusionslochgründ verhindert.
    [0024] Die Pumpzelle (A) und die Heizereinheit (C) besitzen einen Aufbau, wie er für planare polarographische Sonden bekannt ist.
    [0025] Die Pumpzelle (A) besteht somit im wesentlichen aus einer Festelektrolytfolie mit einer äußeren Pumpelektrode und einer inneren Pumpelektrode sowie den dazugehörigen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Elektroden und Leiterbahnen sind dabei durch eine Isolation, z. B. auf Al2O3 -Basis gegenüber der Festelektrolytfolie isoliert. Die äußere Pumpelektrode ist mit einer porösen Schutzschicht (Engobe) bedeckt. Die Pumpzelle (A) wird mittels eines interlaminaren Binders üblicher bekannter Zusammensetzung mit der Diffusionseinheit (B) zusammenlaminiert.
    [0026] Die Heizereinheit (C) besteht im wesentlichen aus einer weiteren Festelektrolytfolie mit ausgestanzten Durchkontaktierungslöchern, einer den Heizer gegenüber der Festelektrolytfolie isolierenden Schicht, dem eigentlichen Heizer, einer Isolationsschicht über dem Heizer, Heizeranschlüssen und einer Isolation für die Heizeranschlüsse. Weitere Einzelheiten des Aufbaues von Pumpzelle (A) und Heizereinheit (C) ergeben sich aus der später folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer polarographischer Sonden.
    [0027] Die Herstellung einer erfindungsgemäßen polarographischen Sonde erfolgt durch Zusammenlaminieren von Pumpzelle (A), Diffusionseinheit (B) und Heizereinheit (C) sowie gegebenenfalls weiteren Einheiten, wie z. B. einer Nernstzelle, indem man die Pumpzelle (A) und die Einheiten (B) und (C) unter Druck zusammenfügt und anschließend bei Sintertemperaturen im Bereich von 1300 bis
    [0028] 1550 °C sintert.
    [0029] Weist die erfindungsgemäße polarographische Sonde gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich eine Nernstzelle (N) auf, so ist deren eine Elektrode in vorteilhafter Weise im Bereich der Pumpelektrode hinter dem den Diffusionswiderstand bildenden porös sinternden Formkörper angeordnet, und somit dem Abgas ausgesetzt, während die andere Elektrode der Nernstzelle mit einem üblichen Metall/Metalloxid-Referenzkörper bzw. einem Referenzgas, vorzugsweise mit Luft, in einem Referenzkanal, in Verbindung steht.
    [0030] Eine als Breitbandsensor ausgeführte polarographische Sonde nach der Erfindung besteht somit in vorteilhafter Weise aus mindestens folgenden Einheiten:
    [0031] - der Pumpzelle (A),
    [0032] - der Diffusionseinheit (B),
    [0033] - der Nernstzelle (N) aus zwei Festelektrolytfolien, wovon die eine Folie die Abgaselektrode und den Referenzkanal und die andere Folie die Referenzelektrode beinhaltet und
    [0034] - der Heizereinheit (C), wobei die Diffusionseinheit (B) eine Durchkontaktierung zur NernstAbgaselektrode aufwe ist und die Heizereinheit (C) eine Durchkontaktierung zur Nernst-Referenzelektrode.
    [0035] Zur Herstellung der erfindungs gemäßen polarographischen Sonden eignen sich bekannte O2- -Ionen léitende Festelektrolytfolien auf Basis von Oxiden vierwertiger Metalle, wie insbesondere
    [0036] ZrO2, CeO2, HfO2 und ThO2 mit einem Gehalt an zweiwertigen
    [0037] Erdalkalioxiden und/oder vorzugsweise dreiwertigen Oxiden der seltenen Erden. In typischer Weise können die Folien zu etwa
    [0038] 50 bis 97 Mol-% aus ZrO2, CeO2, HfO2 oder ThO2 und zu 50 bis
    [0039] 3 Mol-% aus CaO, MgO oder SrO und/oder Oxiden der seltenen Erden und insbesondere Y2O3 bestehen. In vorteilhafter Weise bestehen die Festelektrolytfolien aus mit Y2O3 stabilisiertem
    [0040] ZrO2. In zweckmäßiger Weise liegt die Dicke der verwendeten Folien bei 0,1 bis 0,6 mm.
    [0041] Die Pumpelektroden und die dazugehörigen Leiterbahnen können in üblicher bekannter Weise ausgehend von Pasten auf Edelmetallbasis, insbesondere Platinbasis oder Edelmetall-Cermetbasis, insbesondere Platin-Cermetbasis auf die in vorteilhafter Weise partiell mit einer isolierenden Schicht versehenen Festelektrolytfolien aufgedruckt werden. Das Layout der Pumpelektroden wird an die Ausführungsform der Diffusionseinheit angepaßt.
    [0042] In entsprechender Weise kann bei der Herstellung der Heizereinheit (C) der Heizer auf eine zuvor isolierte Festelektrolytfolie aufgedruckt werden. Ein entsprechendes Heizer-Layout ermöglicht das Stanzen oder Bohren von Diffusionslöchern ohne Beschädigung der Heizleiterbahn. Die Abdichtung des Heizers kann mittels auf die Folie aufgedruckter Rahmen erfolgen, wie später noch im einzelnen gezeigt werden wird.
    [0043] Zeichnung
    [0044] In der Zeichnung sind besonders vorteilhaft Ausführungsformen von erfindungs gemäßen polarographischen Sonden beispielsweise dargestellt. Den dargestellten Sonden ist gemein, daß sie aus mindestens drei Folieneinheiten aufgebaut sind, nämlich
    [0045] der Pumpzelle (A); der Diffusionseinheit (B) und der Heizereinheit (C) sowie gegebenenfalls einer Nernstzelle (N).
    [0046] Im einzelnen sind dargestellt in: Fig. 1: das Layout einer 1. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0047] Fig. 2: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer polarographischen Sonde gemäß Fig. 1 ;
    [0048] Fig. 3: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer polarographischen Sonde gemäß Fig. 1 mit Luftspalt zwischen innerer Pumpelektrode und poröser Folieneinlage;
    [0049] Fig. 4: das Layout der Pumpzelle (A) einer 2. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0050] Fig. 5: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer planaren polarographischen Sonde gemäß Fig. 4;
    [0051] Fig. 6: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer 3. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0052] Fig. 7: das Layout der Pumpzelle (A) einer 4. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0053] Fig. 8: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer planaren polarographischen Sonde gemäß Fig. 7;
    [0054] Fig. 9: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer
    [0055] 5. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0056] Fig. 10: ein Querschnitt durch die Diffusionszone einer
    [0057] 6. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung; Fig. 11: das Layout der Einheiten (A) und (B) einer 7.
    [0058] Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung;
    [0059] Fig. 12: ein Längsschnitt durch die Diffusionszone einer planaren polarographischen Sonde gemäß Fig. 12;
    [0060] Fig. 13: das Layout einer 8. Ausführungsform einer planaren polarographischen Sonde nach der Erfindung, die außer einer Pumpzelle (A), einer Diffusionseinheit (B) und einer Heizereinheit (C) eine Nernstzelle (N) aufweist und somit einen Breitbandsensor darstellt;
    [0061] Fig. 14: ein Querschnitt durch die Diffusionzone eines Breitbandsensors gemäß Fig. 13;
    [0062] Fig. 15: ein Längsschnitt durch die Diffusionszone eines Breitbandsensors gemäß Fig. 13.
    [0063] Gemäß der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten 1. Ausführungsform ist die Pumpzelle (A) aufgebaut aus der Festelektrolytfolie 1 mit ausgestanztem Durchkontaktierungsloch 2; der Isolation 4, der äußeren Pumpelektrode 5, der inneren Pumpelektrode 6 und der Schutzschicht (Engobe) 7. Zur Verbindung mit der Diffusionseinheit (B) dient eine Schicht aus einem interlaminaren Binder 8. Die Elektroden weisen, wie dargestellt, jeweils eine Leiterbahn und Anschlüsse auf.
    [0064] Die Diffusionseinheit (B) besteht aus der Festelektrolytfolie 9 mit ausgestanzter Diffusionszone 10, dem Formkörper 11 und den Schichten 12 und 13 aus interlaminarem Binder.
    [0065] Die Heizereinheit (C) besteht aus der Festelektrolytfolie 14 mit ausgestanzten Kontaktierungslöchern 15 und ausgestanztem Diffusionsloch 22, der Heizerisolation 16, dem Rahmen 17 und 17', dem Heizer 18, der Heizerisolation 19 und 19' sowie den Heizeranscnlüssen 20. Die Heizereinheit (C) ist über die Schicht 21 aus interlaminarem Binder mit der Diffusionseinheit (B) zusammenlaminiert.
    [0066] Die in Fig. 3 im Querschnitt dargestellte Ausführungsform einer weiteren polarographischen Sonde nach der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß zu ihrer Herstellung ein porös sinternder Formkörper verwendet wurde, der aus einer porös sinternden Folie ausgestanzt wurde, die zuvor mit einer im Vorsinterbereich verbrennbaren, zersetzbaren oder verdampfbaren Substanz, z. B. Theobromin oder Indanthrenblau beschichtet worden war. Infolgedessen enthält die Sonde bei sonst identischem Aufbau zwischen der inneren Pumpelektrode 6 und dem porösen Formkörper 11 einen Spalt 23.
    [0067] Die in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellte 2. Ausführungsform unterscheidet sich von der 1. Ausführungsform lediglich im Elektroden-Layout. Auch im Falle dieser 2. Ausführungsform kann zwischen der inneren Pumpelektrode 6 und der porösen Diffusionseinlage 11 ein Spalt 23 vorhanden sein.
    [0068] Die in Fig. 6 schematisch dargestellte 3. Ausführungsform einer polarographischen Sonde nach der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 lediglich dadurch, daß sie einen mittig gelochten, porös sinternden Formkörper 11 aufweist, so daß sich am Ende des Diffusionsloches 22 keine Diffusionseinlage befindet.
    [0069] Bei der in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellten 4. Ausführungsform einer Sonde nach der Erfindung befindet sich das Diffusionsloch 22 nicht in der Heizereinheit (C) sondern in der Pumpzelle (A). Die in Fig. 9 schematisch dargestellte 5. Ausführungsform einer polarographischen Sonde nach der Erfindung unterscheidet sich von der 4. Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 lediglich dadurch, daß sie einen mittig gelochten porös sinternden Formkörper als Einlage enthält.
    [0070] Bei der in Fig. 10 schematisch dargestellten 6. Ausführungsform einer polarographischen Sonde nach der Erfindung erstreckt sich das Diffusions loch 22 durch die gesamte Sonde.
    [0071] Im Falle der in den Fig. 11 und 12 schematisch dargestellten 7. Ausführungsform einer polarographischen Sonde nach der Erfindung weist die Sonde kein Diffusionsloch auf. In diesem Falle erstreckt sich die Diffusionszone 10 der Diffusionseinheit (B) über das Sensorende hinaus. In abgewandelter Weise kann das Elektroden-Layout, z. B. auch dem Elektroden-Layout der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform entsprechen.
    [0072] Bei der in den Fig. 13 bis 15 schematisch dargestellten 8. Ausführungsform einer polarographischen Sonde nach der Erfindung handelt es sich im Gegensatz zu den in den Figuren 1 bis 12 schematisch dargestellten Aus führungs formen erfindungsgemäßer polarographischer Sonden um eine zu einem Breitbandsensor ausgebildete polarographische Sonde, die sich im wesentlichen dadurch von den zuvor beschriebenen polarographischen Sonden unterscheidet, daß sie zusätzlich zur Pumpzelle (A), zur Diffusionseinheit (B) und zur Heizereinheit (C) eine Nernstzelle (N) aufweist.
    [0073] Die Pumpzelle (A) besteht aus der Festelektrolytfolie 1 mit ausgestanztem Diffusionsloch 22 und ausgestanztem Durchkontaktierungsloch 2, der äußeren Pumpelektrode 5 mit einem Trimmwiderstand, der inneren Pumpelektrode 6, den Isolationen 8 und 8', Rahmen 17 und 17', der Abdichtschicht 24 aus interlaminarem Binder und der porösen Schutzschicht (Engobe) 7 auf Al2O3/ZrO2-Basis. Die Diffusionseinheit (B) besteht aus der Festelektrolytfolie 9 mit ausgestanzter Diffusionszone 10 und ausgestanztem Durchkontaktierungs loch 2, den Schichten 12 und 13 aus interlaminarem Binder, dem porösen Formkörper 11 und dem elektrisch leitenden Verbindungspin 25 aus Pt-Paste zur inneren Pumpelektrode 6.
    [0074] Die Nernstzelle (N) wird gebildet aus der Festelektrolytfolie 26 mit ausgestanztem Referenzluftkanal 28 und aufgedruckter Meßelektrode (Nernstzelle) 29, der Festelektrolytfolie 27 mit Durchkontaktierungsloch 2, der Referenzelektrode 30 sowie den Schichten 31, 32 und 33 aus einem üblichen interlaminaren Binder.
    [0075] Die Heizereinheit (C) ist auifgebaut aus der Festelektrolytfolie 14 mit Durchkontaktierungslöchern 2, dem Heizer 18, den Isolationen 16, 16' und 19', Rahmen 17, 17', Anschlüssen 20 für den Heizer 18 und die Referenzelektrode 30, der Schicht 34 aus üblichem interlaminarem Binder sowie dem elektrisch leitenden Verbindungspin 35 aus Pt-Paste zur Referenzelektrode 30.
    [0076] Beispiel
    [0077] Die Herstellung einer erfindungsgemäßen polarographischen Sonde soll am Beispiel der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Sonde näher beschrieben werden.
    [0078] Zur Herstellung der Pumpzelle (A) wurde eine im ungesinterten Zustand etwa 0,3 mm dicke Festelektrolytfolie 1 aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 durch Aufbringen von etwa 15 bis 20 μm starken Al2O3 -Schichten 4 und 8 auf beide Seiten der Festelektrolytfolie 1 isoliert. Danach wurde ein Durchkontaktierungs loch 2 für den Leiterbahnanschluß der inneren Pumpelektrode 6 ausgestanzt. Nach Erzeugung der Durchkontaktierung wurden die äußere und die innere Pumpelektrode 5 bzw. 6 nebst dazugehörigen Leiterbahnen unter Verwendung einer üblichen Pt-CermetPaste aufgedruckt. Zum Zwecke der Durchkontaktierung wurde das Durchkontaktierungsloch 2 mit einer elektrisch leitenden Pt/Al2O3-Cermetschicht versehen. Auf die die innere Pumpelektrode 6 aufweisende Seite der Festelektrolytfolie 1 wurde dann eine Schicht 8 aus einem üblichen interlaminaren Binder aus YSZ-Bindermasse aufgedruckt.
    [0079] Zur Herstellung der Diffusionseinheit (B) wurde eine zweite, im ungesinterten Zustand etwa 0,3 mm dicke Festelektrolytfolie 9 aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 beidseitig mit Binderschichten 12 und 13 aus YSZ-Bindermasse bedruckt, worauf eine kreisrunde Diffusionsnzone 10 mit einem Durchmesser von 3,85 mm ausgestanzt wurde.
    [0080] Aus einer weiteren 0,3 mm dicken, porös sinternden Festelektrolytfolie auf Basis von mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 mit einer Porosität von 20 - 30 % wurde ein kreisrunder Formkörper 11 eines Durchmessers von 3, 8 mm ausgestanzt und in die Diffusionszone 10 der die Diffusionseinheit (B) bildenden Festelektrolytfolie 9 eingefügt.
    [0081] Zur Herstellung der Heizereinheit (C) wurden auf eine dritte, im ungesinterten Zustand 0,3 mm dicke Festelektrolytfolie 14 aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 Isolierungen 16 und 19' auf Al2O3 -Basis zur Isolierung des Heizers 18 und der Heizeranschlüsse 20 sowie ein Rahmen 17 aus interlaminarem Binder aufgedruckt. Daraufhin wurden die Durchkontaktierungslöcher 15 ausgestanzt. Die Durchkontaktierungslöcher 15 wurden mit einer Al2O3-Isolationsschicht sowie darüber mit einer elektrisch leitenden Pt/Al2O3-Cermetschicht versehen. Danach wurden der Heizer 18 unter Verwendung einer Pt/Al2O3-Cermetpaste, eine Al2O3-Iso lations Schicht 19 sowie ein Rahmen 17' aus interlaminarem Binder aus YSZ-Bindermasse aufgedruckt. Anschließend wurde auf die Isolationsschicht 19 eine Schicht 21 aus einem interlaminaren Binder aufgebracht. Abschließend wurde das Diffusionsloch 22 gestanzt oder gebohrt.
    [0082] Nach dem Zusammenlaminieren der drei Einheiten (A), (B) und (C) wurde der erhaltene Verbundkörper bei einer Temperatur im Bereich von 1400 °C gesintert.
    [0083] Die hergestellte polarographische Sonde wurde in ein Gehäuse des aus der DE-OS 32 06 903 bekannten Typs eingesetzt und zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen verwendet. Es wurden ausgezeichnet reproduzierbare Ergebnisse erhalten.
    [0084] Vorzugsweise erfolgt die Herstellung einer erfindungs gemäßen polarographischen Sonde maschinell im Mehrfachnutzen. In vorteilhafter Weise liegt die Breite der Sonde bei etwa 4 bis 6 mm. Der Elektrodendurchmesser beträgt dabei in vorteilhafter Weise 3 bis 4 mm, z. B. 3,6 mm.
    权利要求:
    ClaimsP a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Planare polarographische Sonde zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen, insbesondere von Abgasen von Verbrennungsmotoren mit mindestens folgenden Einheiten: einer Pumpzelle (A), einer Diffusionseinheit (B) mit einem Diffusionswiderstand vor einer Pumpelektrode der Pumpzelle (A) sowie gegebenenfalls einer Heizereinheit (C), dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionswiderstand der Diffusionseinheit (B) durch einen in die ungesinterte Sonde eingefügten, porös sinternden Formkörper (11) gebildet wird.
    2. Polarographische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens drei Festelektrolytfolien aufgebaut ist, nämlich einer ersten, die Pumpzelle (A) bildenden Festelektrolytfolie, die eine äußere und eine innere Pumpelektrode, von denen die innere Pumpelektrode auf der Festelektrolytfolie in einer Diffusionszone für das Meßgas angeordnet ist, sowie Leiterbahnen für die Pumpelektroden aufwe ist, einer zweiten, die Diffusionseinheit (B) bildenden, eine Diffusionszone aufweisenden Festelektrolytfolie und einer dritten, gegebenenfalls zu einer Heizereinheit (C) ausgebildeten Festelektrolytfolie, und daß die Diffusionszone (10) durch eine Aussparung in der mit der ersten Festelektrolytfolie (1) und der dritten Festelektrolytfolie (14) zusammenlaminierten zweiten Festelektrolytfolie (9) im Bereich der inneren Pumpelektrode (5) gebildet wird, in die ein beim Sinterprozeß der Sonde porös sinternder Formkörper (11) eingefügt ist.
    3. Polarographische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte zu einer Heizereinheit (C) ausgebildete Festelektrolytfolie (14) und/oder die erste zu einer Pumpzelle (A) ausgebildete Festelektrolytfolie ein Diffusionsloch (22) für den Zutritt des Meßgases in die Diffusionszone (10) aufweist.
    4. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) in der Diffusionszone (10) aus einem porös gesinterten Keramikmaterial besteht.
    5. Polarographische Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) aus einem porös gesinterten Keramikmaterial besteht, das mindestens zum überwiegenden Teil aus ZrO2 und/oder Al2O3 gebildet wird.
    6. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) in der Diffusionszone (10) aus einem aus einer porös sinternden Keramikfolie erhaltenen Blättchen besteht.
    7. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) die Diffusionszone (10) in der zweiten Festelektrolytfolie (9) voll ausfüllt.
    8. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der inneren Pumpelektrode (5) und dem Formkörper (11) ein Luftspalt befindet.
    9. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte, zu einer Heizereinheit (C) ausgebildete Festelektrolytfolie (14) ein Diffusionsloch (22) für den Zutritt des Meßgases in die Diffusicnszone (10) aufweist und daß der Formkörper (11) aus einem eine zentrale Bohrung aufweisenden Blättchen besteht.
    10. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Porendurchmesser des porös gesinterten Formkörpers (11) 5 bis 50 μm beträgt.
    11. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sonde aufbauenden Festelektrolytfolien aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 bestehen.
    12. Polarographische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eine Nernstzelle (N) aufweist, deren eine Elektrode im Bereich der Pumpelektrode hinter dem den Diffusionswiderstand bildenden porös sinternden Formkörper (11) angeordnet ist, und somit dem Abgas ausgesetzt ist, während die andere Elektrode der Nernstzelle mit einem Metall/Metalloxid-Referenzkörper bzw. einem Referenzgas, vorzugsweise mit Luft, in einem Referenzkanal in Verbindung steht.
    13. Verfahren zur Herstellung einer planaren polarographischen Sonde nach Ansprüchen 1 bis 12, bei dem man eine erste, eine Pumpzelle (A) bildende Festelektrolytfolie mit einer äußeren und einer inneren Pumpelektrode mit einer zweiten, eine Diffusionseinheit (B) bildenden Festelektrolytfolie sowie mit einer dritten, gegebenenfalls eine Heizereinheit (C) bildenden Festelektrolytfolie und gegebenenfalls mit weiteren, eine Nernstzelle (N) bildenden Festelektrolytfolien zusammenlaminiert und das Laminat durch Erhitzen sintert, dadurch gekennzeichnet, daß man als zweite, die Diffusionseinheit (B) bildende Festelektrolytfolie (9) eine Folie verwendet, aus der zunächst eine die Diffusionszone (10) bildende Öffnung ausgestanzt wurde, in die ein bei Sintertemperatur porös sinternder Formkörper (11) eingefügt worden ist.
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