(57)【要約】  ガス中の少なくとも１つの物理量を検出するため、特に内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するためのガス測定センサーが提案される。そのセンサーは、センサー素子（１０）を有し、そのセンサー素子（１０）は、第１電極（３１）と第２電極（３２）とを備えた電気化学セル、及び前記第１電極、第２電極と電気的に接続された少なくとも１つの固体電解質体（２１、２２、２４）を有する。前記第２電極（３２）は、基準ガスを含んだ基準ガス領域（２５）の中に設けられている。前記基準ガス領域（２５）は、第１電極と第２電極（３１、３２）の間に配置されている。
2005510714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
好ましくはガス中の少なくとも１つの物理量を検出するため、特に内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するためのガス測定センサーであり、前記センサーはセンサー素子（１０）を有し、前記センサー素子（１０）は第１電極（３１）と第２電極（３２）とを備えた電気化学セル、及び前記第１電極と前記第２電極とに電気的に接続された少なくとも１つの固体電解質（２１、２２、２４）を有し、前記第２電極（３２）は基準ガスを含んだ基準ガス領域（２５）の中に設けられている、ガス測定センサーにおいて、
前記基準ガス領域（２５）は、前記第１電極と前記第２電極（３１、３２）の間に配置されていることに特徴を有するガス測定センサー。
【請求項２】
前記第１電極と前記第２電極（３１、３２）の間の内部抵抗は、センサー素子（１０）の温度が６００℃では、４００から１２００Ωの範囲であり、好ましくは７５０から８５０Ωの間であり、センサー素子（１０）の温度が７００℃では、１００から３００Ωの範囲であり、好ましくは１５０から２００Ωの間である、請求項１記載のガス測定センサー。
【請求項３】
前記センサー素子（１０）は第１固体電解質体、第２固体電解質体及び第３固体電解質体（２１、２２、２３）を有し、前記第１固体電解質体（２１）は前記第１電極（３１）と前記基準ガス領域（２５）の間に設けられており、前記第２固体電解質体（２２）は前記基準ガス領域（２５）もしくは前記第２電極（３２）とヒーター（３５）の間に設けられており、前記第３固体電解質体（２３）は前記ヒーター（３５）について前記第１固体電解質体及び前記第２固体電解質体（２１、２２）とは反対側に設けられている、請求項１又は２記載のガス測定センサー。
【請求項４】
前記基準ガス領域（２５）には多孔質の電気的絶縁物質、特に多孔質酸化アルミニウムが設けられている、前記請求項のいずれか１つに記載のガス測定センサー。
【請求項５】
前記ヒーター（３５）の調節装置が設けられており、前記ヒーター（３５）の制御をするための入力パラメーターに、前記第１電極と前記第２電極（３１、３２）間の内部抵抗が使用される、前記請求項のいずれか１つに記載のガス測定センサー。
【請求項６】
前記ヒーター（３５）はセンサー素子の中央に配置されており、前記ヒーターはヒーター絶縁体（３６）によって取り囲まれた固体電解質体（２２、２３）から電気的に絶縁されている、請求項３から５に記載のガス測定センサー。
【請求項７】
前記第２電極（３２）の幅は前記基準ガス領域（２５）の幅よりも狭い、前記請求項のいずれか１つに記載のガス測定センサー。
【請求項８】
前記第２電極（３２）用の配線は、前記センサー素子（１０）の長手軸に沿って配置された基準ガス領域（２５）と隣接し、前記第２電極（３２）は、前記配線によって、前記第２電極（３２）に背を向けた前記センサー素子（１０）の側にある接触面と電気的に接続されている、前記請求項のいずれか１つに記載のガス測定センサー。
【請求項９】
前記第１電極（３１）から前記第２電極（３２）の層平面への垂直方向の射影が少なくとも部分的には第２電極（３２）上に重なる、前記請求項のいずれか１つに記載のガス測定センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、独立請求項の上位概念によるガス測定センサーに関する。
【０００２】
例えばDE10058643 A1に記載されるようなガス測定センサーがある。そのガスセンサーは、第１、第２及び第３の固体電解質体を備えたセンサー素子を有し、それらの固体電解質体は層状に構成されている。第１固体電解質体の上面では、センサー素子の外表面に第１電極が取り付けられている。第１電極とは反対側の第１固体電解質体には、第２電極が設けられている。第２電極は、第１固定電解質体と第２固定電解質体との間の基準ガス領域に配置されている。第１電極及び第２電極、並びに電極間に配置された固体電解質は、電気化学セル、例えばネルンストセルを形成する。基準ガス領域は多孔質物質により充填することができ、基準ガス例えば空気を含む。センサー素子を加熱するために、第２固体電解質体と第３固体電解質体の間にヒーターが設けられている。そのヒーターは、熱絶縁によって周囲の固体電解質体から分離されている。
【０００３】
更には、固体電解質体の寸法は、ヒーターがセンサー素子の中央に位置するように選定することが知られている。このため、例えば、第１固体電解質体と第２固体電解質体の厚さは、それぞれ第３固体電解質体のちょうど半分である。
【０００４】
センサー素子の信頼性のある機能を保証するため、センサー素子の温度はヒーターによって外部の影響、例えば排気ガスの温度に依存せずに一定に保たれる。このため、ヒーターは、センサー素子の外部に配置された評価電子回路によって制御される。ヒーターの制御のため、センサー素子の温度が検出される。そのために電気化学セルの温度依存性内部抵抗を利用することが知られている。ヒーターの制御のための入力パラメータとしては、電気化学セルの内部抵抗が使用される。その電気化学セルは、第１電極と第２電極並びに第１電極と第２電極の間に配置された固体電解質によって形成される。内部抵抗の検出のため、評価電子回路によって、第１電極と第２電極の間に発生する電圧（例えば交流電圧若しくは電圧パルス）及びその結果生じる電流が測定される。
【０００５】
従来技術によるセンサー素子の欠点は、第１電極と第２電極の間の内部抵抗が低いため、温度に起因する内部抵抗の変化が充分に大きくなく、その結果、この変化を、例えば自動車内の通常の電子回路により充分な精度を以て分解できないことである。さらに、内部抵抗の温度依存性は、製造技術的に引き起こされる変動に比して小さい。従って、ヒーターの制御は、大きなエラーと結び付けられてしまうことになる。
【０００６】
本発明の利点
独立請求項に記載された特徴を有する本発明によるガス測定センサーは、以下の利点を有する。電気化学セル内部に、即ち第１電極と第２電極の間に基準ガス領域を配置することにより、内部抵抗が増大し、内部抵抗の温度依存特性が改善され、その結果、ヒーターを正確に制御することが可能となる。その特性は、急勾配であることにより、良好な分解能を提供する。従って、簡易な回路や廉価なアナログデジタル変換器の使用が可能となる。
【０００７】
ヒーターが内部抵抗を介してではなく他の特性量を介して制御される場合は、センサー素子の温度は改善された分解能によって正確に監視することができる。高い内部抵抗は、他の回路技術的理由からも好ましいものとすることができる。
【０００８】
従属請求項に記載された手段によって、独立請求項で説明したガス測定センサーの有利な構成が可能となる。
【０００９】
第１電極と第２電極の間の内部抵抗が、６００℃のセンサー素子の温度において４００Ωから１２００Ωの範囲（好ましくは８００Ω）である場合、及び、７００℃のセンサー素子の温度において１００Ωから３００Ωの範囲（好ましくは１５０から２００Ωまで）である場合に、ヒーターの正確な制御が達成される。
【００１０】
本発明の有利な実施形態では、第２電極の幅、即ち層平面における第２電極の、センサー素子の長手軸に対して垂直方向の広がりは、基準ガス領域の幅よりも小さい。基準ガス領域は、第１固定電界質体と第２固定電解質体の間に配置されており、固体電解質層によって側面が取り囲まれている。第１電極は、第１固体電解質体の外表面に取り付けられ、第２電極は、基準ガス領域の内部で第２固体電解質体に取り付けられている。第２電極は、第２固体電解質体だけと直接接触し、固体電解質層や第１固体電解質体とは接触しない。それにより第２電極も、第２固体電解質体を介してのみ固体電解質層と第１固体電解質体に、更には第１電極に電気的に接続される。
【００１１】
第２電極用配線は基準ガス領域に隣接して配置され、第２電極に背を向けたセンサー素子終端で、第２電極がその配線によって接触面に電気的に接続されている。第２電極用配線が基準ガス領域によって電気的に絶縁されていれば、これにより第２電極用配線への入力結合が緩和される。
【００１２】
有利には、第１電極と第２電極間の内部抵抗は、第１電極の面積を第２電極の面積に対して減少させることによって更に増大する。
【００１３】
図面
本発明の実施例は、図面に示されており、以下に詳細に説明される。
【００１４】
図１は、本発明によるガス測定センサーのセンサー素子の断面図である。
【００１５】
図２は、本発明のセンサー素子と従来技術のセンサー素子について、内部抵抗の温度への依存性を示している。
【００１６】
実施例の説明
図１は、本発明の実施例として、平面の層状に構成されたセンサー素子１０を示し、そのセンサー素子は、導イオン性物質からなる第１固体電解質体２１、第２固体電解質体２２、第３固体電解質体２３を有している。センサー素子１０の外表面上では第１固体電解質体２１上に第１電極３１が配置され、その第１電極は、測定ガスにさらされている。第１電極３１は、多孔質保護層２６によって覆われている。第１電極３１とは反対側の第１固体電解質体２１には、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体２２の間に基準ガス領域２５が設けられており、その基準ガス領域２５は電気的に絶縁された多孔質物質、例えば酸化アルミニウム多孔質によって充填されている。その基準ガス領域２５は、基準ガス例えば雰囲気を含み、センサー素子１０の長手軸に沿って伸長し、センサー素子１０の雰囲気にさらされた終端（図示せず）で雰囲気に接触している。基準ガス領域２５は固体電解質層２４によって側面を取り囲まれている。
【００１７】
第２固体電解質体２２の上には、基準ガス領域２５中に第２電極３２が設けられている。従って、第２電極３２は、基準ガス領域２５の第２固体電解質体２２に向いた側に配置されている。第１電極３１と第２電極３２は、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体２２及び固体電解質層２４によって電気的に接続されており、電気化学セル（ネルンストセル）として外部配線によって駆動される。第２電極３２の幅、即ち、図示された層平面でセンサー素子１０の長手軸に対して垂直な図１の第２電極３２の水平方向の大きさは、基準ガス領域２５の幅よりも小さい。従って、第２電極３２は基準ガス領域２５の内部に位置し、第２電極は固体電解質層２４に直接接触せず、よって直接ではなく第２固体電解質体２２を介してのみ、固体電解質層２４と電気的に接続されている。
【００１８】
第２固体電解質体２２と第３固体電解質体２３との間にはヒーター３５が設けられており、そのヒーターは、ヒーター絶縁体３６によって周囲の固体電解質体２２、２３から電気的に絶縁されている。ヒーター３５は、ガスケット３７によって側面を取り囲まれる。第３固体電解質体２３の厚さは、第１固体電解質体２１、第２固体電解質体２２の各々の厚さのおおよそ２倍である。したがって、ヒーター３５は、センサー素子１０の中央に位置する（図１では正確な尺度で示されていない）。
【００１９】
基準ガス領域２５と固体電解質体２４並びに電極３１、３２及びヒーター３５とは、ヒーター絶縁体３６及びガスケット３７とともに製造され、いわゆる成形体（焼結前の固体電解質体）上にシルクスクリーンによって相応の機能層が印刷される。印刷された成形体は一緒に貼り合わされて焼結される。
【００２０】
基準ガス領域２５は、更に、本発明の図示しない実施形態では、空洞として構成したり、部分的にのみ多孔質物質を充填することもできる。
【００２１】
図２には、内部抵抗（Ri）のセンサー素子温度（T）への依存性が示されている。記号１で示されている曲線は、図１で示した本発明の実施例の内部抵抗の変化を表している。記号２で示されている曲線は、従来技術で説明したセンサー素子についての内部抵抗の変化を表している。そこでは、第１電極と第２電極とが対向する側で第１固体電解質体上に直接配置されており、従って、第２電極は第１固体電解質体に向いた側の基準ガス領域に設けられている。本発明の実施例によるセンサー素子（図１）の内部抵抗は、従来技術の内部抵抗よりも格段に高く、より急峻な負の勾配を有し、その結果、内部抵抗と温度との正確な対応付けが可能となることが容易に理解される。本実施例では、センサー素子１０が６００℃の温度では第１電極と第２電極（３１、３２）との間の内部抵抗は７００Ωを示す。センサー素子１０が７００℃の温度では、内部抵抗は１７５Ωを示す。
【００２２】
本発明は、実施例の説明に限定されない。本発明は、例えば、電気化学セルをポンプセルとして動作させる場合のセンサー素子に転用される。同様にしてセンサー素子が複数の電気化学セルを有し、そのうち１つ若しくは複数の電気化学セル、とりわけ１つの電気化学セルについてその内部抵抗を温度測定ないしは温度制御に使用することも考えられ、又はセルを本発明による特徴を有するネルンストセルとして構成することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明によるガス測定センサーのセンサー素子の断面図である。
【００２４】
【図２】図２は、本発明のセンサー素子と従来技術のセンサー素子について、内部抵抗の温度への依存性を示している。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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