(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ポンプ電極を備えた測定素子への酸素移送を行わせるポンプセルとを有し、
前記ポンプセル（20）と測定素子（30）は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おり、
前記測定素子（30）は、ポンプセル（20）に対して横方向の間隔を置いて配置され、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）へ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おり、
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）の方に拡散開口部（58）を有しており、該拡散開口部を介してポンプセル（20）からポンピングされた酸素が測定素子（30）へ供給可能である、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）内へ形成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。
【請求項２】
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（30）が配設されている、請求の範囲第１項記載のセンサ装置。
【請求項３】
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１項又は２項記載のセンサ装置。
【請求項４】
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開口部（58）内に配置されている、請求の範囲第１項記載のセンサ装置。
【請求項５】
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ポンプ電極（22）が用いられる、請求の範囲第４項記載のセンサ装置。
【請求項６】
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（68）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５項記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記測定ガス開口部（72）は、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６項記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記拡散区間はポンプセル（20）から測定素子（30）へ接続された多孔性の拡散層（68）である、請求の範囲第６項記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記拡散区間はポンプセル（20）から測定素子（30）へ接続された拡散チャネル（28）である、請求の範囲第１項〜８項のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
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〜９項のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
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〜10項のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
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“Sensor  und  Actuators  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へポンピングする。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求められている。この場合酸素21％の空気中におけるCOの場合にはSnO2−半導体ガスセンサの抵抗値はN2中のCOの場合においてよりも３オー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。すなわちポンプセ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ポ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つのイオン導電体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SnO2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IV−IV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VII−VII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10は第１のAl2O3−薄片11と第２のAl2O3−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500゜におかれる。
第２のAl2O3−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（ZrO2）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Al2O3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Al2O3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（以下で述べるように）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。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とカバー層14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Al2O3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によってポ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20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27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Al2O3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からポ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Al2O3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63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はガス密なカバー層69によって覆われている。測定素子30の個所ではカバー層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ZrO2）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によってポ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。それに対してカバー層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70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30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30よりもさらにポンプセル20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、その他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SAE−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を介してポンピングする。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ポンピングされる。
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。
【図４】
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【図１】
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【図７】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図６】
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