EP0408039A2

Marginal current detector for measuring the partial pressure of a gas.

Abstract

For measuring gas partial pressures, in particular oxygen partial pressures, a marginal current detector is proposed whose solid electrolyte element (1e) consists of tetragonal polycrystalline ZrO2 having a grain size of less than 4 mu m. As a gas diffusion barrier, the solid electrolyte element (1e) is covered with a solid-state layer (9e) consisting of an oxidic solid-state material which permits the diffusion of oxygen. If the covering (9e) consists of mainly ion-conducting material, it has on both sides electrodes which are connected to one another by a short-circuit connection (31) or a current or voltage source to compensate for electronic minority charge carriers. <IMAGE>

EP0408039A2, drawing sheet 1
Sheet 1 of 9

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16 claims: 1 independent, 15 dependent

  1. 1
    Grenzstromsensor zum Messen des Sauerstoffgaspar­tialdrucks, mit einem ionenleitenden Zirkondioxid-­Festelektrolytelement (1), dessen Elektrolytstrecke zwischen gasdurchlässigen, mit einer Gleichspan­nungsquelle (15) verbundenen Elektroden (3, 5) an­geordnet ist und mit einer den Gaszutritt zur Kathodenseite der Elektrolytstrecke begrenzenden Diffusionsbarriere (9, 13) dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkondio­xid des Festelektrolytelements (1) in seiner te­tragonalen, polykristallinen Form mit einer Korngröße von weniger als etwa 4 µm vorliegt.
  2. 2
    Grenzstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkondio­xid eine Korngröße von weniger als 3 µm hat.
  3. 3
    Grenzstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenseite der Elektrolytstrecke des Festelektrolytelements (1;1a) mit einer zum Fest­elektrolytelement (1;1a) hin abgedichteten und mit diesem einen Hohlraum (7;7a) begrenzenden Ab­deckung (9;9a) aus gasdichtem Material überdeckt ist und daß durch die Abdeckung (9) oder/und das Festelektrolytelement (1a) wenigstens eine in dem Hohlraum (7;7a) mündende Kapillare (13;13a) hin­durchreicht.
  4. 4
    Grenzstromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (9;9a) aus Zirkondioxid besteht.
  5. 5
    Grenzstromsensor zum Messen eines Gaspartialdrucks, insbesondere von Sauerstoff, mit einem ionenleitenden Festelektrolytelement (1b-­1e), insbesondere einem Oxid-Festelektrolytelement, vorzugsweise einem Zirkondioxid-Festelektrolytele­ment, dessen Elektrolytstrecke zwischen gasdurch­lässigen, mit einer Gleichspannungsquelle (15b-15e) verbundenen Elektroden (3b-3e, 5b-5e) angeordnet ist und mit einer den Gaszutritt zu einer der Seiten, insbesondere der Kathodenseite der Elektrolyt­strecke begrenzenden Diffusionsbarriere (9b-9e), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere als Festkörper-Abdeckung (9b-9e) aus einem die Diffusion des zu messenden Gases zulassenden Oxidmaterial ausgebildet ist.
  6. 6
    Grenzstromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-­Abdeckung (9b;9c) zusammen mit dem Festelektro­lytelement (1b;1c) einen Hohlraum (7b;7c) be­grenzt.
  7. 7
    Grenzstromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­körper-Abdeckung (9d;9e) und das Festelektrolyt­element (1d;1e) als flächig aufeinanderliegende Schichten ausgebildet sind.
  8. 8
    Grenzstromsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Abdeckung (9d) im wesentlichen aus einem leitenden Oxidmaterial besteht und in flächig leitender Verbindung auf dem Festelektro­lytelement (1d) anliegt und daß eine der Elektroden (3d) der Elektrolytstrecke auf der von dem Fest­elektrolytelement (1d) abgewandten Seite der Fest­körper-Abdeckung (9d) angeordnet ist.
  9. 9
    Grenzstromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­körper-Abdeckung (9d) im wesentlichen aus einem in der Hauptsache elektronisch leitenden multinären, zumindest jedoch binären Oxidmaterial besteht.
  10. 10
    Grenzstromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkör­per-Abdeckung (9d) NiO, Cu₂O, CuGeO₃ oder Y Ba₂Cu₃O 6+x enthält.
  11. 11
    Grenzstromsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Abdeckung (9c;9e) im wesentli­chen aus einem in der Hauptsache ionenleitenden Oxidmaterial besteht und beiderseits ihrer Dif­fussionsstrecke für das zu messende Gas durchläs­sige Elektroden (23, 25;3e, 29) trägt, die miteinander über eine Kurzschlußverbindung (27;31) oder eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle (28;32) leitend verbunden sind.
  12. 12
    Grenzstromsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Festelektrolytelement (1e) zugewandte Elektrode (3e) sowohl am Festelektrolytelement (1e) als auch an der Festkörper-Abdeckung (9e) kontaktierend an­liegt und zugleich mit der Spannungsquelle (15e) verbunden ist.
  13. 13
    Grenzstromsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Abdeckung (9c;9e) aus Oxid-­Festelektrolytmaterial, insbesondere im wesentli­chen aus Zirkondioxidmaterial besteht.
  14. 14
    Grenzstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytelement (1-1e) als Film aus­gebildet ist.
  15. 15
    Grenzstromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Festelektrolytelements (1-1e) weniger als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,2 mm beträgt.
  16. 16
    Grenzstromsensor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Festelektrolytelement (1-1e) als durch Exzimer-Laser-Ablation herge­stellter Film ausgebildet ist.
Independent claims16