(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子（１０）において、
第１の固体電解質層（２１）と第２の固体電解質層（２２）が設けられており、
前記第１の固体電解質層（２１）の互いに対向する側の上に第１の導体路（７１）と第２の導体路（７２）が設けられており、
前記第１の導体路（７１）は、第１の電極（３１）および該第１の電極（３１）へ向かう導線（４１）を有しており、
前記第２の導体路（７２）は、第２の電極（３２）および該第２の電極（３２）へ向かう導線（４２）を有しており、
前記第２の固体電解質層（２２）の上に第３の導体路（７３）が設けられており、該第３の導体路（７３）は、第３の電極（３３）および該第３の電極（３３）へ向かう導線（４３）を有しており、
前記第３の電極（３３）と前記第１の導体路（７１）との間に第２の導体路（７２）が配置されており、
前記第３の電極（３３）と前記第１の電極（３１）とを結ぶ線に位置する第２の導体路（７２）の領域の幅は、前記第３の電極（３３）よりも少なくとも３０％広いことを特徴とする、
センサ素子。
【請求項２】
前記第３の導体路（７３）の層平面へ垂直に射影したときに前記第３の電極３３の上に位置する第２の導体路（７２）の領域の幅は、前記第３の電極（３３）よりも少なくとも３０％広く構成されている、請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記第３の導体路（７３）の層平面に対する前記第２の導体路（７２）の垂直な射影は前記第３の電極（３３）を完全に覆う、請求項１または２記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記第３の導体路（７３）の層平面に対する前記第２の導体路（７２）の垂直な射影の幅は、第３の電極（３３）の領域において該第３の電極（３３）よりも少なくとも０．２ｍｍ広い、請求項１から３のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記第３の電極（３３）と前記第１の電極（３１）とを結ぶ線に沿った第３の電極（３３）への第２の導体路（７２）の射影の幅は、前記第３の電極（３３）よりも少なくとも０．２ｍｍ広い、請求項１から４のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記第２の導線（４２）の幅は前記第３の導線（４３）よりも広く構成されており、たとえば第２の導線（４２）の幅は前記第３の導線（４３）よりも少なくとも０．２ｍｍ広く、該第２の導線（４２）はセンサ素子（１０）の層平面に対し垂直な方向で前記第３の導線（４３）のすぐ上に位置している、請求項１から５のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記第２の導線（４２）は前記第３の導体路（７３）の層平面に対する垂直な射影において前記第３の導線（４３）を完全に覆う、請求項１から６のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記の第２の導体路（７２）と第３の導体路（７３）との間に絶縁層（３５）が設けられている、請求項１から７のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記第２の固体電解質層（２２）と前記第３の固体電解質層（２３）との間に、センサ素子（１０）の測定領域（１１）を加熱するヒータ（６１）が設けられており、該ヒータ（６１）は周囲を取り囲む固体電解質層（２２，２３）とはヒータ絶縁層（６２）により絶縁されている、請求項１から８のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記第２の電極（３２）は第１の固体電解質層（２１）と第２の固体電解質層（２２）との間に設けられた測定ガス室（５１）内に配置されており、
該測定ガス室（５１）は拡散抵抗（５２）および第１の固体電解質層（２１）に組み込まれたガス流入開口部（５３）を介して、センサ素子（１０）外部に存在するガスと連通しており、
該測定ガス室（５１）内で前記第２の電極（３２）と向き合って第４の電極（３４）が設けられており、該第４の電極（３４）は前記第２の導体路（７２）と電気的に接続されている、
請求項１から９のいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１１】
前記第３の電極（３３）は多孔性に構成されており、該第３の電極（３３）の孔には基準ガスが存在する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項記載のセンサ素子（１０）および該センサ素子（１０）の外部に配置された回路を備えた装置において、
第１および第２の電極（３１，３２）ならびに該第１および第２の電極（３１，３２）の間に配置された第１の固体電解質（２１）の領域は電気化学的セルを成しており、該電気的化学セルは前記外部に配置された回路により電気化学的ポンプセルとして駆動されることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記第３および第４の電極（３３，３４）ならびに該第３および第４の電極（３３，３４）の間に配置された第２の固体電解質層（２２）の領域は電気化学的セルを成しており、該電気的化学セルは前記外部に配置された回路により電気化学的ネルンストセルとして駆動され、
該ネルンストセルに生じるネルンスト電圧により測定ガス室（５１）内の酸素分圧が求められ、
前記外部に配置された回路は、ポンピングによる測定ガス室（５１）への酸素の送り込みまたはポンピングによる測定ガス室（５１）からの酸素の送り出しによりλ＝１の酸素分圧が生じるよう、ポンプセルにポンプ電圧を供給し、
該ポンプ電圧は前記ネルンストセルに生じるネルンスト電圧により制御される、
請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば測定ガスの物理的な特性を求めるためのセンサ素子有利には内燃機関排気ガスの酸素含有量または温度を求めるためのセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のセンサ素子はたとえばDE 100 35 036 C1またはDE 101 00 599 A1により知られている。センサ素子は第１および第２の固体電解質層を有している。第１の固体電解質層の互いに対向する側に、第１の電極および第１の導線を備えた第１の導体路と、第２の電極および第２の導線を備えた第２の導体路とが設けられている。第１の電極はセンサ素子の外面に配置されており、開口部をもつ多孔性の保護層を介して測定ガスと接触する。第２の電極はセンサ素子中に組み込まれた測定ガス室内に配置されており、これは拡散抵抗およびガス流入開口部を介して測定ガスと接触する。第１および第２の固体電解質層の間に、第３の電極および第３の導線を備えた第３の導体路が設けられており、これは第１または第２の固体電解質層の上に取り付けられている。第３の電極は基準ガスに晒され、測定室内に配置された電極（たとえば第２の電極または第４の電極）とともに電気化学的セル（ネルンストセル）を成す。第２の電極へ向かう第２の導線および第３の電極へ向かう第３の導線は、センサ素子の１つの層平面内でセンサ素子の長手軸方向に互いに並置されて延びている。
【０００３】
このような配置構成における欠点とは、たとえば内燃機関排気ガスの酸素分圧の急激な変化などに起因して第１の電極における電位が急激に変化することによって、ネルンストセルの信号が損なわれるおそれがあることである。ネルンストセルの信号によって、第１の電極と第２の電極との間に外部回路を介して印加されるポンプ電圧が制御されることから、さらにこのポンプ電圧に基づき流れるポンプ電流によって測定信号が供給されることから、ネルンスト電圧の作用により測定信号が誤ったものになってしまうおそれがある。
【特許文献１】DE 100 35 036 C1
【特許文献２】DE 101 00 599 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式のセンサ素子において、たとえば内燃機関の排気ガスなど測定ガスの組成が急激に変化しても測定信号の誤りが防止されるよう構成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によればこの課題は、第１の固体電解質層と第２の固体電解質層が設けられており、前記第１の固体電解質層の互いに対向する側の上に第１の導体路と第２の導体路が設けられており、前記第１の導体路は、第１の電極および該第１の電極へ向かう導線を有しており、前記第２の導体路は、第２の電極および該第２の電極へ向かう導線を有しており、前記第２の固体電解質層の上に第３の導体路が設けられており、該第３の導体路は、第３の電極および該第３の電極へ向かう導線を有しており、前記第３の電極と前記第１の導体路との間に第２の導体路が配置されており、前記第３の電極（３３）と前記第１の電極（３１）とを結ぶ線に位置する第２の導体路（７２）の領域の幅は、前記第３の電極（３３）よりも少なくとも３０％広いことにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明によれば、第３の電極を第２の導体路を介して第１の導体路から容量的および抵抗的にシールドすることによって、排気ガス組成が急激に変化しても測定信号に誤りが生じない。
【０００７】
この目的で、第１の固体電解質層に第２の導体路が取り付けられており、第３の固体電解質に第３の導体路が取り付けられており、第１の導体路と第３の電極との間に第２の導体路が設けられている。
【０００８】
従属請求項には独立請求記載のセンサ素子の有利な実施形態が示されている。
【０００９】
第３の電極の容量性および抵抗性のシールドを向上させるため、以下の措置を（個別にまたは組み合わせて）講じるのが有利であると判明した。第３の導体路の層平面への第２の導体路の垂直な射影の幅は第３の電極の領域で、第３の電極よりも少なくとも３０％広く殊に有利には少なくとも５０％広く、および／またはこの射影の幅は、第３の電極よりも少なくとも０．２ｍｍ有利には少なくとも０．４ｍｍ広く、および／または第３の電極を完全に覆っている。第１の電極と第３の電極とを結ぶ線に位置する第２の導体路の領域は、第３の電極よりも少なくとも３０％殊に有利には少なくとも５０％広く、および／または第２の導体路のこの領域は、第３の電極よりも少なくとも０．２ｍｍ有利には少なくとも０．４ｍｍ広い。第２の導線は第３の導線よりも少なくとも０．２ｍｍ有利には少なくとも０．４ｍｍ広く、ここで第２の導線はセンサ素子の層平面に対し垂直な方向で第３の導線のすぐ上に位置しており、および／または第３の電極を完全に覆っている。なお、本明細書において導体路の幅とは、センサ素子の長手軸に対し垂直かつセンサ素子の層平面に対し平行な方向での導体路の広がりのことである。
【００１０】
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。
【実施例】
【００１１】
図１から図４には本発明の実施例としてセンサ素子が示されており、このセンサ素子は第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３を有している。第１の固体電解質層２１の外面上に第１の電極３１が設けられており、この電極３１には第１の導線４１が接続されている。第１の電極３１は開口部をもつ多孔性の第１の保護層５４によって覆われており、この保護層５４は測定ガスを第１の電極３１へ向けて流入させることができる。第１の導線４１は第２の保護層５５によって覆われている。第１の電極３１と第１の導線４１は第１の導体路７１に属している。
【００１２】
第１の固体電解質層２１にはガス流入開口部５３が設けられており、これは第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間の領域へ導かれている。この領域にはリング状の拡散抵抗５２が設けられており、これはやはりリング状の測定室５１により取り囲まれている。測定室５１自体は密閉空間５７によって取り囲まれている。測定室５１内で第１の固体電解質層２１には第２の電極３２が配置されており、この電極３２には第２の導線４２が接続されている。第２の導体路７２は、センサ素子１０の測定領域１１に配置された第２の電極３２と、センサ素子１０の導線領域１２に配置された第２の導線４２と、センサ素子１０の接触接続領域１３に設けられたスルーホール８１（図２参照）を有しており、このスルーホール８１はセンサ素子１０外面上で接触平面へと導かれる。
【００１３】
測定室５１とは距離を隔てて、第２の固体電解質層２２に第３の電極３３が設けられている。第３の電極３３には第３の導線４３が接続されている。第３の導体路７３は第３の電極３３と第３の導線４３と第２のスルーホール８４を有しており、この第２のスルーホール８４はセンサ素子１０外面上で接触平面へと導かれる（図４参照）。第３の導体路７３と第２の導線４２もしくは第２の導体路７２の間に第１の絶縁層３５（図３参照）が設けられており、これによって第２の導体路７２と第３の導体路７３とが電気的に絶縁されている。
【００１４】
測定室５１内で第２の電極３２と向き合って第２の固体電解質層２２の上に第４の電極３４が配置されている。第４の電極３４は２つの翼部８２を有しており、これらの部分を介して第４の電極３４が第２の導体路７２と電気的に接続されている。このため第１の絶縁層３５に２つの開口部８３が設けられている（図３および図４参照）。
【００１５】
第３の電極３３は第２の固体電解質層２２上にじかに取り付けられているのに対し、第３の導線４３は第２の絶縁層３６により第２の固体電解質層２２とは電気的に絶縁されている。同様に第１の電極３１は第１の固体電解質層２１の上に取り付けられている一方、第１の導線４１は第３の絶縁層５６により第１の固体電解質層２１とは電気的に絶縁されている。第３の電極３３は多孔性に構成されている。第３の電極３３のそれらの孔には、高い酸素濃度をもつ基準ガスが存在している。このためたとえば、多孔性の第３の電極３３がセンサ素子１０の接触接続領域１３に設けられた開口部を介して周囲空気と連通するように構成され、あるいは電圧の印加によって酸素が第１、第２または第４の電極３１，３２，３４から第３の電極３３へ向けてポンピングされるように構成される。
【００１６】
第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３との間にヒータ６１が設けられており、これはヒータ絶縁層６２に埋め込まれており、ヒータ絶縁層６２により周囲を取り囲む固体電解質層２２，２３とは電気的に絶縁されている。ヒータ絶縁層６２は側方でヒータ密閉空間６３によって取り囲まれている。
【００１７】
第１および第２の電極３１，３２ならびにこれらの電極３１，３２の間に位置する第１の固体電解質層２１の領域により第１の電気化学的セルが形成され、第３および第４の電極３３，３４ならびにこれらの電極３３，３４の間に位置する第２の固体電解質層２２の領域により第２の電気化学的セルが形成される。ここで第３の電極３３と第４の電極３４との間に位置する第２の固体電解質層２２の領域とは、第３の電極３３と第４の電極３４の間で電気化学的セルの測定信号に重要な影響を及ぼす磁力線が広がる領域のことである。
【００１８】
たとえばRonald K. Jurgen, McGraw-Hillにより１９９９年に発行されたAutomotive Electronics Handbook, second edition （第６章殊に６．２．６）に記載されているようなセンサ素子外部に配置された評価回路によって、第１の電気化学的セルにポンプ電圧が印加され、このポンプ電圧により、化学量論的空燃比（λ＝１）に対応する酸素分圧が測定ガス室５１内に生じるよう、酸素が測定ガス室５１へポンピングにより送り込まれ、もしくは測定ガス室５１からポンピングにより送り出される。ポンプ電圧は第２の電気化学的セルのネルンスト電圧によって形成され、ここでネルンスト電圧は、測定室５１内に生じている酸素分圧と第３の電極３３における基準ガスの酸素分圧との比に対する尺度である。
【００１９】
第３の電極３３の幅は第３の導線４３から出発して第４の電極３４の方向へ、第３の電極３３の輪郭がほぼ三角形に相応するよう均等に広がっている。第３の電極３３において第４の電極３４の方に向いた側は、第４の電極３４のリング状の輪郭に従って丸くなるよう構成されている。
【００２０】
第２の導体路７２は、第２の電極３２と第２の導線４２との間の領域１０１で幅が広がるように構成されている。第２の導体路７２のこの領域１０１は、第３の電極３３の上方においてこの第３の電極３３と第１の電極３１とを結ぶ結合線の領域に配置されている。この結合線とは、第３の電極３３と第１の電極３１との間を最短距離で結ぶ線のことである。領域１０１の幅は第３の電極３３の輪郭に対応して第２の電極３２へ向かう方向で直線的に広がっており、この幅は第３の電極３３の幅よりも０．６ｍｍ大きく、しかもこのことは電極３３に対する領域１０１の垂直な射影に関しても結合線に沿った射影に関しても成り立つ。
【００２１】
本発明は、ここで説明した第３の電極３３の輪郭とは異なる輪郭をもつ電極にも転用可能である。本発明によれば第２の導体路の幅は、電界の発生に基づき大きい容量性および抵抗性の結合が生じている領域（第３の電極と第１の電極との間の層平面）において第３の電極よりも広い。このことは、ヒータ６１によりセンサ素子１０の測定領域１１が加熱されて高い温度が生じるセンサ素子１０の領域において殊にあてはまる。
【００２２】
第２および第３の導線４２，４３は個々の大きい面の中心でセンサ素子１０の長手軸に対し平行に延在しており、この場合、第２および第３の導線４２，４３の幅はそれらの長さ方向の大部分に関して一定である。第２の導線４２は、センサ素子１０の大きい面に対し垂直な方向で第３の導線４３のすぐ上に配置されている。第２の導線４２の幅は１．２ｍｍであり、第３の導線４３の幅は０．６ｍｍである。
【００２３】
図５には第２の導体路７２に関する代替的な実施形態が示されている。この場合、第２の導体路７２は、第２の電極３２と第２の導線４２との間の領域つまり幅の広がっている領域１０１に開口部８５を有している。これらの開口部８５により、第２の導体路７２はこの領域においてネット構造を有している。有利であるのは開口部８５を、それらの大きさが領域１０１における導体路７１と導体路７２との間の最短距離以下となるよう構成することである。ここで開口部８５の大きさとは、開口部８５が完全に含まれる最小円の直径のことである。開口部８５によって、抵抗的および容量的に良好なシールドを維持したまま材料を節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例を示すセンサ素子断面図である。
【図２】本発明によるセンサ素子の種々の素子を示す平面図である。
【図３】本発明によるセンサ素子の種々の素子を示す平面図である。
【図４】本発明によるセンサ素子の種々の素子を示す平面図である。
【図５】図２によるセンサ素子の代替となる実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  センサ素子
１１  測定領域
１２  導線領域
３１  第１の電極
３２  第２の電極
３３  第３の電極
３４  第４の電極
３５  第１の絶縁層
３６  第２の絶縁層
４１  第１の導線
４２  第２の導線
４３  第３の導線
５１  測定室
５２  拡散抵抗
５３  ガス流入開口部
５４  第１の保護層
５５  第２の保護層
５６  第３の絶縁層
５７  密閉空間
６２  ヒータ絶縁層
６３  ヒータ密閉空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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