(57)【要約】【課題】ガス測定センサ内のセンサエレメントにおいて、従来技術の欠点が改良されたものを提供する。【解決手段】貫通案内部（２５）の領域に、カバー層（５１）が配置されており、これにより、センサエレメント（１０）の外部に位置するガスが、センサエレメント（１０）の内部へ、所定の拡散距離を介してのみ到達することができるようになっており、該拡散距離が、前記固体電解質層（２１）の外側（２４）に対して部分的に平行に延びているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサエレメント（１０）であって、該センサエレメント（１０）が、特に測定ガスの物理的な特性を検出するための、有利には測定ガスのガス成分の濃度又は測定ガスの温度を検出するためのガス測定センサ内に設けられており、前記センサエレメント（１０）に、貫通案内部（２５）を有する固体電解質層（２１）と、導体路（３１）とが設けられており、該導体路（３１）が、固体電解質層（２１）の外側（２４）に配置された外側区分（３１ａ）と、前記貫通案内部（２５）内に配置された貫通案内区分（３１ｂ）と、該貫通案内区分（３１ｂ）に接続された供給区分（３１ｃ）とを有している形式のものにおいて、貫通案内部（２５）の領域に、カバー層（５１）が配置されており、これにより、センサエレメント（１０）の外部に位置するガスが、センサエレメント（１０）の内部へ、所定の拡散距離を介してのみ到達することができるようになっており、該拡散距離が、前記固体電解質層（２１）の外側（２４）に対して部分的に平行に延びていることを特徴とする、センサエレメント（１０）。
【請求項２】
カバー層（５１）が、ガス密になっている、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項３】
導体路（３１）が、多孔性に形成されている、請求項１又は２記載のセンサエレメント。
【請求項４】
導体路（３１）が、第１の固体電解質層（２１）から、絶縁層（４１，４２）により少なくとも部分的に分離されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項５】
導体路（３１）の供給区分（３１ｃ）が、固体電解質層（２１）と別の固体電解質層（２２）との間に配置されており、供給区分（３１ｃ）が、固体電解質層（２１）及び別の固体電解質層（２２）から、第１の絶縁層（４１）により分離されており、電気的に絶縁されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項６】
導体路（３１）の外側区分（３１ａ）と、固体電解質層（２１）の外側（２４）との間に、第２の絶縁層（４２）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項７】
導体路（３１）とカバー層（５１）との間に、少なくとも部分的に第３の絶縁層（４３）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項８】
第１の固体電解質層（４１）及び／又は第２の固体電解質層（４２）及び／又は第３の固体電解質層が、多孔性に形成されている、請求項４から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項９】
センサエレメント（１０）の外部に位置するガスが、多孔性の導体路（３１）、特に導体路（３１）の多孔性の外側区分（３１ａ）及び／又は多孔性の第２の絶縁性（４２）及び／又は多孔性の第３の絶縁層（４３）を介して、センサエレメント（１０）の内部へ拡散され、ガスの拡散方向が、外側区分（３１ａ）及び／又は第２の絶縁層（４２）及び／又は第３の絶縁層（４３）の方向に、すなわち、固体電解質層（２１）の外側（２４）に対して平行に延びている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１０】
導体路（３１）の貫通案内区分（３１ｂ）が、貫通案内部（２５）の壁を層状に覆っており、カバー層（５１）が、導体路（３１）の貫通案内区分（３１）の領域と、導体路（３１）の外側区分（３１ａ）とを覆っている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１１】
カバー層（５１）が、貫通案内部（２５）と、導体路（３１）の外側区分（３１ａ）とを覆う層であり、該層が、所定の層平面では、固体電解質層（２１）の外側（２４）に対して平行に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１２】
導体路（３１）の外側区分（３１ａ）が、コンタクト面（３１ｄ）を有しており、該コンタクト面（３１ｄ）の領域に、カバー層（５１）が凹部を有している、
請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１３】
導体路（３１）の貫通案内区分（３１ｂ）が、貫通案内部（２５）の内面を層状に覆っている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１４】
導体路（３１）の貫通案内区分（３１ｂ）が、貫通案内部（２５）を完全に満たしている、請求項１１記載のセンサエレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサエレメントであって、該センサエレメントが、特に測定ガスの物理的な特性を検出するための、有利には測定ガスのガス成分の濃度又は測定ガスの温度を検出するためのガス測定センサ内に設けられており、前記センサエレメントに、貫通案内部を有する固体電解質層と、導体路とが設けられており、該導体路が、固体電解質層の外側に配置された外側区分と、前記貫通案内部内に配置された貫通案内区分と、該貫通案内区分に接続された供給区分とを有している形式のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス測定センサのハウジング内にガス密に固定された、この形式の長く平面的なセンサエレメントは層状に構成されており、複数の個体電解質層を有している。このセンサエレメントは、測定側の終端区分と接続側の終端区分とを有している。ハウジングに固定された保護管の内部に配置され、測定ガスにさらされている測定側の終端区分はセンサエレメント、例えば１つ又は複数の電気化学的なセル及びヒータを有している。１つの電気化学的なセルは２つの電極を有しており、これらの電極は、それぞれ個体電解質に被着されており、固定電解質により電気的に接続されている。
【０００３】
電極並びにヒータは、それぞれ１つ又は複数の供給区分に電気的に接続されている。この１つ又はこれらの複数の供給区分は、センサエレメントの長手方向延びに沿って、電極若しくはヒータから、センサエレメントの接続側の終端区分へ案内されている。供給区分が、センサエレメントの内部の層平面に、すなわち、２つの固体電解質層の間に延びている場合には、供給区分は、貫通部内に配置された貫通案内区分により、センサエレメントの外側に配置された外側区分に電気的に接続されている。これにより、電極、供給区分、貫通案内区分及び外側区分は、関連した導体路を形成している。ヒータは２つの供給部を有しており、これらの供給部は、同様にそれぞれ貫通案内区分により外側区分に接続されている。外側区分はコンタクト面を有している。このコンタクト面を介してセンサエレメントはガス測定センサの外部に配置された評価電子機構に電気的に接続することができる。
【０００４】
貫通案内部は、少なくとも１つの固体電解質シート内に設けられた円筒状の孔の形で形成されている。貫通案内部の壁は、貫通案内区分により被覆されており、この場合に、貫通案内区分と壁との間には１つ又は複数の絶縁層が設けられていてよい。同様に外側区分及び／又は供給区分は、固体電解質シートに対して、少なくとも１つの絶縁層により電気的に絶縁されている。
【０００５】
絶縁層及び導体路は多孔性に、ひいてはガス透過性に形成されている。したがって接続側の終端区分の外部に位置するガスは、導体路の貫通案内部及び供給区分、若しくは供給区分の領域に設けられた絶縁層を介してセンサエレメントの測定側の終端区分にまで到達する。この場合、センサエレメント内へのガス流入は、センサエレメントの大面に対して垂直な拡散方向に行われる。
【０００６】
この形式のセンサエレメントはしばしば基準電極を有している。この基準電極は、基準ガス、すなわち、高い酸素含有率を有するガスにさらされている。基準電極が導体路若しくは絶縁層を介して、センサエレメントの接続側の終端部の空気雰囲気に接続されることにより、基準電極は簡単な形式で基準空気にさらされる。
【０００７】
この形式のセンサエレメントでは、センサエレメントの接続側の終端区分の外部に位置するガスが、不純物、例えば水又は燃料を含有している恐れがあり、これらの水又は燃料は、阻止されずに貫通案内部へ、かつそこから多孔性の導体路若しくは多孔性の絶縁層内へ進入することができるという欠点を有している。さらにこれらの不純物が貫通案内部に堆積しかねないことは特に不都合である。
【０００８】
前記のような不純物がヒータ又は電極に到達した場合には、センサエレメントの測定機能が妨害される。センサエレメントの測定側の終端区分、特にヒータの領域内へ水が進入した場合には、この水はセンサエレメントの破壊をもたらしかねない。特に燃料が基準電極の領域に到達した場合には、基準空気内に酸素含有率が低減され、これにより、センサエレメントの測定機能が損なわれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、ガス測定センサ内のセンサエレメントにおいて従来技術の欠点が改良されたものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決した本発明の手段によれば、貫通案内部の領域にカバー層が配置されており、これにより、センサエレメントの外部に位置するガスが、センサエレメントの内部へ、所定の拡散距離を介してのみ到達することができるようになっており、該拡散距離が、前記固体電解質層の外側に対して部分的に平行に延びている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の特徴を有する本発明によるセンサエレメントは、一方ではセンサエレメントの接続側の終端区分の外部に位置するガスが、貫通案内部を介してセンサエレメントの内部に配置された導体路及び／又は絶縁層内へ進入することが困難になり、他方では不純物が貫通案内部に堆積しかねないことが阻止されるという利点を有している。
【００１２】
前記センサエレメントは、貫通案内部を有する固体電解質層を有している。さらにこのセンサエレメントは導体路を有しており、この導体路は、固体電解質層の外側に配置された外側区分と、貫通案内部内に配置された貫通案内区分と、この貫通案内区分に接続された供給区分とを有している。
【００１３】
本発明により、貫通案内部及び／又はこの貫通案内部に隣接する、固体電解質層の外側の領域が、次の形でカバー層により覆われている、すなわち、センサエレメントの外部に位置するガスが、センサエレメントの内部へ、所定の拡散距離を介してのみ到達することができるような形で覆われている。この拡散距離は、少なくとも部分的に固体電解質層の外側に対して平行に延びている。これにより、ガスは供給区分の層平面内へ直接に到達することができず、例えばセンサエレメントの外側に対して平行に延びる拡散距離を介してのみ到達することができる。すなわち、この拡散距離はまずセンサエレメントの外側に被着された層に沿って、次いで貫通案内部を介して、センサエレメントの外側に対して垂直な方向に、供給区分の層平面へ延びている。
【００１４】
従属請求項に構成された手段により、独立請求項に記載のセンサエレメントの有利な発展形が可能である。
【００１５】
有利にはカバー層はガス密になっており、ひいてはセンサエレメントの外部に位置するガスは、固体電解質層の外側に対して少なくとも部分的に平行に延びる所定の拡散距離を介してのみセンサエレメントの内部へ到達することができる。これに対してカバー層を貫通したガス流入は完全に阻止される。さらに、導体路及び／又は絶縁層は有利には多孔性に形成されている。
【００１６】
有利には導体路は固体電解質層の外側から、かつ／又は固体電解質層の、貫通案内部の領域から、かつ／又は導体路の供給領域に隣接した１つ又は複数の固体電解質層から絶縁層により分離されている。これにより、導体路内への電気的な連結が固体電解質を介して可能となることが阻止される。
【００１７】
有利には、カバー層と導体路との間には絶縁層が配置されている。これにより、特にカバー層が電気的に導電性の場合には、測定機能の妨害が阻止される。カバー層は、例えば固体電解質材料、例えば酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムを含有している。この酸化ジルコニウムはイオン及び電気伝導性である。
【００１８】
有利には、カバー層は導体路の、貫通案内部並びに外側区分の領域を覆っており、この場合に、外側区分は、コンタクト面として働く領域を有しており、この領域にはカバー層は凹部を有している。カバー層は、層の形で貫通案内区分に被着されているか、又は貫通案内部を完全に満たしていてよい。択一的にはカバー層は有利には第１の固体電解質層の外側に対して平行な層平面に配置されており、貫通案内部の、外側へ通じる開口並びに導体路の外側区分の領域を覆っている。本発明別の有利な構成では、導体路の貫通案内区分は、貫通案内部を完全に満たしており、カバー層は、固体電解質層の外側に対して平行に配置された層の形で導体路を覆っている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明の実施の形態を図面につきさらに詳しく説明する。
【００２０】
図１、図２及び図３は、本発明の第１実施例として、センサエレメント１０の接続側の終端区分を示している。このセンサエレメント１０は、ガス測定センサのハウジング内にガス密に配置されており、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するため又は温度測定のために用いられる。
【００２１】
前記センサエレメント１０は第１の固体電界質層２１と第２の固体電解質層２２とを有している。これらの第１の固体電界質層２１及び第２の固体電解質層２２は酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムより成っている。第１の固体電解質層２１内には円筒状の貫通案内部２５が設けられている。センサエレメント１０は導体路３１を有している。この導体路３１は、供給区分３１ｃ、貫通案内区分３１ｂ及び外側区分３１ａを有している。さらに導体路３１は、センサエレメント１０の測定側の終端区分に電極又はヒータ（図示していない）を有している。導体路３１は金属部分、例えばプラチナと、セラミック部分とを有するサーメットより成っている。このようなセンサエレメントの構成、特に測定側の終端区分の構成及びガス測定センサ内のセンサエレメントの取付けも、例えばElectronics Handbook, Second Edition, Editor: Ronald K. Juergen, McGraw-Hill, 1999に記載されている。この刊行物に見ることができるように、センサエレメントはさらなる固体電解質層を有していてもよい。
【００２２】
電極又はヒータは、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間に配置された供給区分３１ｃと、貫通案内区分３１ｂとにより外側区分３１ａに接続されている。この外側区分３１ａは第１の固体電解質層２１の外側２４に配置される。導体路３１の貫通案内区分３１ｂは、円筒状の貫通部２５の壁に設けられた層の形で形成されている。
【００２３】
導体路３１の外側区分３１ａは、コンタクト面３１ｄとして働く領域を有している。この領域は、ガス測定センサから外側へ案内された導体エレメントに、導電性に接続することができるようになっており、これにより、センサエレメント１０は、ガス測定センサの外部に配置された評価電子機構に接続される。
【００２４】
導体路３１の供給区分３１ｃは第１の絶縁層４１内に埋め込まれており、この第１の絶縁層４１により、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２とから電気的に絶縁されている。前記第１の絶縁層４１は、側方で、ガス密な材料より成るシールフレーム４５により取り囲まれている。第１の個体電解質層２１の外側２４では、導体路３１の外側区分３１ａ、ひいてはコンタクト層３１ｄも、第２の絶縁層４２により第１の個体電解質層２１から分離されている。
【００２５】
導体路３１の外側区分３１ａ及び貫通案内区分３１ｂは、ガス密なカバー層５１によりカバーされている。このためには、このカバー区分５１は貫通案内区分３１ｂの被覆層の形で形成されているか、又は貫通案内部２５を完全に満たしていてよい。カバー層５１は、コンタクト面３１ｄの領域に凹部を有している。これにより、センサエレメント１０の測定側の終端区分の外部に位置するガスは、導体路３１の外側区分３１ａ及び貫通案内区分３１ｂに沿ってのみ、又は第２の絶縁層４２に沿ってのみ、第１の個体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間の層平面内へ到達することができる。したがってカバー層５１は次のように配置されている、すなわち拡散距離が、部分的に、つまり、第２の絶縁層４２内又は導体路３１の外側区分では、第１の固体電解質層２１の外側２４に対して平行に延びている形で配置されている。
【００２６】
図４は、本発明の第２実施例としてセンサエレメント１０を示している。この場合、図１、図２及び図３による第１実施例に対して付加的に第３の絶縁層４３が設けられている。この絶縁層４３は、プリント配線基板３１の外側区分３１ａ若しくは貫通案内区分３１ｂと、カバー層５１との間に設けられている。これにより、ガスは第３の絶縁層４３を介しても、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間の層平面内へ到達することができる。拡散距離は第３の絶縁層４３を介して、ここでも第１の固体電解質層２１の外側２４に対して平行に延びている。
【００２７】
図５に示した第３実施例の構成は、図１〜図３による第１実施例の構成に対応しているが、カバー層５１が貫通案内部２５の内部には配置されておらず、これにより導体路３１の外側区分３１ａのみを覆っており、しかしながら、貫通案内区分３１ｂを覆っていない点で異なっている。カバー層５１は第１の個体電解質層２１の外側２４の平面では貫通部５１により形成された開口を完全に覆っている。
【００２８】
図６に示した、本発明の第４実施例は、図５による第３実施例の対応している。この実施例では、付加的にカバー層５１と、導体路３１の外側区分３１ａとの間には第３の絶縁層４３が設けられている。この第３の絶縁層４３は、カバー層５１も貫通案内部２５により形成された開口も覆っている。
【００２９】
図７には、本発明の第５実施例が示されている。この実施例では、導体路３１の貫通案内区分３１ｂは貫通案内部２５を完全に満たしている。カバー層５１は、導体路３１の外側区分３１ａを覆っており、既に上に述べた実施例の場合のように、コンタクト面３１ｄのための凹部を有している。図８に第６実施例として示したセンサエレメント１０は、カバー層５１と、導体路３１の外側区分３１ａとの間に付加的に第３の絶縁層４３が設けられていることにより第５実施例とは異なっている。
【００３０】
第１、第２及び第３の絶縁層４１，４２，４３は、例えば酸化アルミニウムを含有しており、多孔性に形成されている。カバー層は密に焼結する材料を有しており、すなわちガス密であり、例えば酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムを有している。
【００３１】
カバー層は、スクリーン印刷、吸込み若しくは吹付け法、粘着性の媒体のための調量法（マイクロ調量法）、又はプラズマ成形法により被着される。この形式の方法は、当業者には一般に公知である。図５及び図６による実施例では、カバー層５１の下方に位置する中空室が、貫通案内部２５の内部で、まずいわゆる中空室ペーストにより充填され、次いでカバー層５１が（例えばスクリーン印刷により）第２の絶縁層４２、導体路３１の外側区分３１ａ及び中空室ペーストに被着される。例えば焼結プロセスの枠内の熱処理により、次いで中空室ペーストは気化し、図５及び図６に示した中空室を離れる。
【００３２】
前記複数の実施例には、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２との間の層平面内へ拡散されるガスが、所定の区分（つまり、導体路の外側区分３１ａ及び／又は第２の絶縁層４２及び／又は第３の絶縁層４３）を横断し、この区分内ではガスの拡散方向が、第１の固体電解質層２１の外側２４に対して平行に延びていることが共通している。
【００３３】
当業者は任意で本発明を別の構成、例えば２つよりも多い固体電解質層を有するセンサエレメントに転用することができる。本発明は一般に貫通案内部を介して案内された導体路を有するセンサエレメントのために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるセンサエレメントの第１実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【図２】図１の方向ＩＩで見た第１実施例の平面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った第１実施例の横断面図である。
【図４】本発明によるセンサエレメントの別の実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【図５】本発明によるセンサエレメントの別の実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【図６】本発明によるセンサエレメントの別の実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【図７】本発明によるセンサエレメントの別の実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【図８】本発明によるセンサエレメントの別の実施例の接続側の終端部の長手方向横断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  センサエレメント、  ２１  第１の個体電解質層、  ２２  第２の固体電解質層、  ２４  外側、  ２５  貫通案内部、  ３１  導体路、  ３１ａ  外側区分、  ３１ｂ  貫通案内区分、  ３１ｃ  供給区分、  ４１，４２，４３  絶縁層、  ４５  シールフレーム、  ５１  カバー層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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