CH683037A5 - Elektrochemischer Gassensor. - Google Patents

Description

1

CH 683 037 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor, insbesondere einen Gassensor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder 18, der auf elektrochemischem Wege verschiedene Gase aufspürt, die in der Atmosphäre vorhanden sind, beispielsweise Kohlenmonoxid, Alkohol, Wasserstoffsulfid und dergleichen, unter Ausnutzung ihrer elektrochemischen Reaktion.

Derartige elektrochemische Gassensoren sind beispielsweise zur Verwendung in Alarmgeräten geeignet, die auf eine vorbestimmte Konzentration toxischer Gase wie Kohlenmonoxid und dergleichen in geschlossenen Räumen unter verschiedenen Bedingungen ansprechen. Diese Gase werden nachfolgend als Zielgase bezeichnet.

Ein Gassensor, bei dem eine elektrochemische Reaktion ausgenutzt wird, besteht allgemein aus mehreren Elektroden, die über einen lonenleiter miteinander in Verbindung stehen, d.h. über einen Elektrolyt, so dass eine elektrochemische Reaktion zwischen ihnen auftreten kann. Als lonenleiter wird im allgemeinen ein flüssiger oder gelatineartiger Elektrolyt verwendet. Es besteht dann aber das Problem, dass der Sensor schon nach relativ kurzer Zeit unzuverlässig wird, weil ein Verlust an Flüssigkeit durch Auslaufen oder durch Verdampfen von Lösungsmitteln, die in dem Elektrolyt verwendet werden, unvermeidbar ist.

Zur Behebung dieses Problems wurden bereits anorganische oder organische Feststoff-Elektrolyten verwendet. Als anorganischer fester Elektrolyt können ß-Aluminiumoxid, Nasicon, Risicon, stabilisiertes Zirkoniumoxid und dergleichen genannt werden. Ein solcher fester Elektrolyt, der aus einem anorganischen Material besteht, muss aber erwärmt werden, damit er eine niedrige Impedanz aufweist. Hierdurch wird in der Praxis das Problem aufgeworfen, dass der Gassensor eine hohe Betriebsleistung benötigt.

Als organischer fester Elektrolyt können Polymere genannt werden, die zur Gruppe der kationenaustauschenden Harze gehören, wie Polystyrol-sulfonat, Polyvinylsulfonat, Perfluorosulfonatpolymer, Perfluorocarboxylatpolymer und dergleichen. Unter diesen Harzen ist in der Praxis ein Perfluorosulfonatpolymer besonders geeignet, welches unter der Handelsbezeichnung NAFION bekannt ist (Warenzeichen von Du Pont); dieses als Beispiel genannte Material verfügt über ein hohes Vermögen zur Freisetzung von Kationen und hat daher eine geringe Impedanz; ferner ist es relativ stabil hinsichtlich der thermischen und elektrochemischen Rennwerte und auch aus diesem Grunde besonders geeignet. Ein Gassensor mit diesem Elektrolyt kann insbesondere leicht hergestellt werden.

Ein Gassensor mit einem festen Elektrolyt ist beispielsweise bereits in der US-PS 4 900 405 beschrieben.

Bei Verwendung von beispielsweise Perfluorosulfonatpolymer in einem elektrochemischen Gassensor als fester organischer Elektrolyt beobachtet man jedoch eine zeitliche Veränderung der Eigenschaften des Festkörperzustands, womit eine zeitliche

Veränderung der Sensorempfindlichkeit einhergeht und der Sensor schliesslich unbrauchbar wird. Dabei tritt das Problem auf, dass bei allen bekannten Gassensoren die so eingetretene Unbrauchbarkeit nicht auf einfache Weise festgestellt werden kann. Im einzelnen ist zu beachten, dass die Eigenschaften des Festkörpers wie Impedanz, Gasdurchlässigkeit und dergleichen, wenn Perfluorosulfonatpolymer als organischer fester Elektrolyt verwendet wird, über den eine Verbindung zwischen den Elektroden hergestellt wird, einen äusserst grossen Ein-fluss auf die Empfindlichkeit des Gassensors haben, so dass sich zeitliche Veränderungen in den Eigenschaften des Festkörpers in einer entsprechenden Veränderung der Sensorempfindlichkeit äussern. Wenn die Sensorempfindlichkeit so mit der Zeit abnimmt und schliesslich einen Schwellwert unterschreitet, der die untere Grenze für den Betrieb des Gassensors darstellt, ist die Lebensdauer des Gassensors erschöpft. Wenn nun ein Gassensor, dessen Lebensdauer erschöpft ist, im Gebrauch bleibt, erfolgt keine Alarmgabe oder dergleichen, so dass eine Gefährdung nicht erkannt wird. Um dies zu vermeiden, ist es also erforderlich, die Unbrauchbarkeit eines Gassensors unmittelbar zu erkennen.

Bei den bekannten Gassensoren wurde bisher periodisch geprüft, ob eine ausreichende Funktionstüchtigkeit vorliegt, indem dem Sensor ein Zielgas vorbestimmter Konzentration zugeführt wurde und die Empfindlichkeit anhand dieses Zielgases gemessen wurde. Zur Ausführung einer solchen Funktionsüberprüfung bei Gassensoren müssen aber zahlreiche Arbeitsstunden aufgewendet werden; dennoch kann eine zwischen den Inspektionsintervallen eingetretene Unbrauchbarkeit eines Gassensors unbemerkt bleiben. Es besteht also ein Bedarf zur Verbesserung von Gassensoren in dieser Hinsicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen elektrochemischen Gassensor anzugeben, der imstande ist, fortwahrend selbsttätig seine Empfindlichkeit zu überprüfen und einen Selbsttest auszuführen, so dass aufwendige Wartungsarbeiten entfallen können.

Der zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene elektrochemische Gassensor enthält ein isolierendes Substrat, wenigstens zwei Sätze von Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden, die jeweils einen reaktiven Teil aufweisen und voneinander getrennt auf dem Substrat angeordnet sind, sowie wenigstens eine Schicht aus einem festen Elektrolyt, die auf dem Substrat ausgebildet ist und über den Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden liegt; der Gassensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung aufweist, die an einen der Sätze von Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden angeschlossen ist, um ein Zielgas zu erspüren, das in der Umgebung vorhanden ist, in welcher der Sensor verwendet wird, und dass an den anderen Satz von Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden eine Einrichtung angeschlossen ist, um ein Standardgas zu erspüren, welches in der Umgebung in einer festen Konzentration vorhanden ist, mit einer Einrichtung zur Verarbeitung von Ausgangssignalen der

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 683 037 A5

4

Einrichtung zum Erspüren des Standardgases, um die verbleibende Lebensdauer des Gassensors auf der Grundlage dieser Ausgangssignale zu beurteilen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Gesamtanordnung eines elektrochemischen Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Gassensors nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung einer Empfind-lichkeits-Testanordnung bei dem Gassensor nach Fig. 1;

Fig. 4 und 5 Diagramme, welche die Empfindlich-keits-Testmessungen bei dem Gassensor nach Fig. 1 zeigen;

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Gesamtanordnung des elektrochemischen Gassensors;

Fig. 7 einen Schnitt des Gassensors nach Fig. 6 durch den Sensorabschnitt;

Fig. 8 eine Empfindlichkeits-Testanordnung für den Gassensor nach Fig. 6;

Fig. 9 und 10 Diagramme, weiche Messungen der Abhängigkeit der Empfindlichkeit von Feuchtigkeit und Temperatur bei dem Gassensor mit Pt-Ar-beitselektrode nach Fig. 6 zeigen;

Fig. 11 ein Diagramm mit Messergebnissen welche die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Feuchtigkeit bei der Ausführungsform nach Fig. 6, jedoch mit Au-Arbeitselektrode, zeigen;

Fig. 12 ein Diagramm mit den Messergebnissen für die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit bei der Ausführungsform nach Fig. 6, jedoch mit Au-Arbeitselektrode;

Fig. 13 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung eines elektrochemischen Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 14 und 15 Schnittansichten durch jeden Sensorabschnitt des Gassensors nach Fig. 13;

Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Gesamtanordnung des elektrochemischen Gassensors bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 ein Diagramm, welches die Sensorcharakteristik des Gassensors nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 18 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einem Platinelektrodenpotential und einem Sauerstoff-Reduktionsstrom bei dem Gassensor nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 19 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Goldelektrode, einer Gold/Goldschwarz-Elektrode und dem Sauerstoff-Reduktionsstrom bei dem Gassensor nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 20 ein Diagramm, welches die Sensorcharakteristik für die Verwendung einer Gold/Goldschwarz-Elektrode bei dem Gassensor nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 21 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung eines Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 22 einen Schnitt durch den Sensorabschnitt bei dem Gassensor nach Fig. 21 ;

Fig. 23 weitere Einzelheiten einer Empfindlichkeits-Testanordnung für den Gassensor;

Fig. 24 ein Diagramm, welches die Empfindlichkeitsmessungen für den Zielgas-Sensorabschnitt des Gassensors nach der Erfindung wiedergibt;

Fig. 25 ein Diagramm, welches die Empfindlichkeitsmessungen für einen Zielgas-Sensorabschnitt bei einem herkömmlichen Gassensor zeigt;

Fig. 26 ein Diagramm, welches die Empfindlichkeitsmessungen für den Standardgas-Sensorabschnitt bei dem Gassensor nach der Erfindung zeigt;

Fig. 27 ein Diagramm, welches die Empfindlichkeitsmessungen für den Standardgas-Sensorabschnitt bei einem herkömmlichen Gassensor zeigt;

Fig. 28 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung des Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 29 einen Schnitt durch den Sensorabschnitt des Gassensors nach Fig. 28;

Fig. 30 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung eines Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 31 einen Schnitt durch den Sensorabschnitt des Gassensors nach Fig. 30;

Fig. 32 und 33 Diagramme, welche die Empfindlichkeitsmessungen bezüglich Sauerstoff und Kohlenmonoxid bei dem Gassensor nach Fig. 30 zeigen;

Fig. 34 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung eines Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 35 einen Schnitt durch den Sensorabschnitt des Gassensors nach Fig. 34;

Fig. 36 eine weitere Ausführungsform der Gesamtanordnung des Gassensors nach der Erfindung;

Fig. 37 einen Schnitt durch den Sensorabschnitt des Gassensors nach Fig. 36; und

Fig. 38 bis 40 Diagramme, die den Vorgang des Gasspürens für das Zielgas und das Standardgas bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.

Es wird nun zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Dort ist ein elektrochemischer Gassensor nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Er enthält ein isolierendes Substrat 10 und mehrere Sätze von Elektroden, die auf der Oberfläche des Substrats 10 aus Platin, Gold oder einem vergleichbaren Elektrodenmaterial gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Sätze von Elektroden vorgesehen. Der erste Elektrodensatz 11 ist ein Zielgas-Spurelektrodensatz, und der zweite Satz von Elektroden ist ein Standardgas-Spurelektrodensatz 12. Der erste Elektrodensatz 11 enthält eine Arbeitselektrode 13, eine Gegenelektrode 14 und eine Referenzelektrode 15. Der zweite Elektrodensatz 12 enthält eine Arbeitselektrode 16, eine Gegenelektrode 17 und eine Referenzelektrode 18. Diese Elektroden sind zumindest annähernd spiegelsymmetrisch zu den Elektroden des Elektrodensatzes 11 angeordnet.

Die Elektroden sind auf dem Substrat 10 im Abstand voneinander aufgebracht, wozu ein herkömm-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 683 037 A5

6

liches Verfahren wie Zerstäubung, Niederschlag oder dergleichen Anwendung finden kann. Schichten 19, 20 aus einem festen Elektrolyt, vorzugsweise Perfluorosulfonatpolymer oder dergleichen, sind jeweils über einem Elektrodensatz 11 bzw. 12 aufgebracht. Bei der praktischen Ausführung sind die Elektroden 13 bis 15 sowie 16 bis 18 nur in ihrem Reaktionsbereich von den Schichten 19, 20 aus dem festen Elektrolyt bedeckt; diese Schichten sind durch irgendein geeignetes Material voneinander getrennt.

Die Elektroden 13 bis 15 sowie 16 bis 18 der beiden Elektrodensätze 11 und 12 erstrecken sich somit auf ihrer einen Seite aus den Elektrolyt-Schichten 19 und 20 heraus und liegen frei, um Anschlussteile für äussere Schaltkreise zu bilden. Auf diese Weise sind zwei Abschnitte eines elektrochemischen Gassensors auf demselben, gemeinsamen isolierenden Substrat 10 gebildet. Der eine Sensorabschnitt 21 bildet einen Zielgas-Sensorabschnitt und der andere 22 einen Standardgas-Sensorab-schnitt.

In dem Zielgas-Sensorabschnitt 21 sind die Elektroden 13 bis 15 über Verbindungsleiter 23, die an ihren freiliegenden Teilen angeschlossen sind, mit einer Signalverarbeitungsschaltung 24 verbunden. Es kann also ein Fühlersignal aus dem Zielgas-Sensorabschnitt 21 gewonnen und nach aussen herausgeführt werden, wenn dieser auf ein vorhandenes Zielgas anspricht. Die Elektroden 16 bis 18 des Standardgas-Sensorabschnitts 22 sind ihrerseits über Verbindungsleiter 25, welche an die freiliegenden Elektrodenteile angeschlossen sind, mit einer auf den Ablauf der Lebensdauer ansprechenden Alarmeinrichtung 26 verbunden, die fortwährend das Sensorausgangssignal des Standardgas-Sensorabschnitts 22 überwacht, um ein Alarmsignal abzugeben, wenn dieses Signal unter einen vorbestimmten Wert abfallt. Das Eintreten der Unbrauchbarkeit des elektrochemischen Gassensors kann durch ein akustisches oder optisches Alarmsignal angezeigt werden. Die Signalverarbeitungsschaltung 24 und die Alarmeinrichtung 26 werden aus geeigneten Elektronikschaltungen aufgebaut, wie sie in den verschiedensten elektrischen und elektronischen Geräten verwendet werden.

Im Betrieb des vorstehend beschriebenen elektrochemischen Gassensors dringen die Bestandteile des Zielgases aus der Umgebung, in welcher der Sensor verwendet wird, durch die feste Elektrolyt-Schicht 19 hindurch bis zu dem reaktiven Teil der Arbeitselektrode 13 vor, wo eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Die Gegenreaktion zu der, welche an der Elektrode 13 stattfindet, tritt an der Gegenelektrode 14 auf. Es fliesst also ein Sensorstrom zwischen der Arbeitselektrode 13 und der Gegenelektrode 14. Aus diesem Strom wird eine Abschätzung über die Bestandteile des Gases in bekannter Weise abgeleitet. Während des Betriebs wirkt die Referenzelektrode 15 als Bezugsgrösse, um das Potential der Arbeitselektrode 13 konstant zu halten. Das Potential an der Arbeitselektrode 13 muss also entsprechend den Bestandteilen des zu erspürenden Zielgases konstant gehalten werden

In dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 wird ein

Gas ausgewertet, das regelmässig in der Umgebung vorhanden ist, vorzugsweise Sauerstoff. Dieses Gas dringt durch die Festelektrolyt-Schicht 20 bis zu dem reaktiven Teil der Arbeitselektrode 16 vor, wo eine elektrochemische Reaktion auftritt. Die Gegenreaktion zu der, welche an der Arbeitselektrode 16 auftritt, findet an der Gegenelektrode 17 statt. Es fliesst also ein Sensorstrom zwischen der Arbeitselektrode 16 und der Gegenelektrode 17. Das Potential der Arbeitselektrode 16 wird in Entsprechung zu Sauerstoff als Standardgas konstant gehalten, wozu die Referenzelektrode 18 als Bezugsgrösse dient. Auf diese Weise wird der vorhandene Sauerstoff gemessen.

Der Zieigas-Sensorabschnitt 21 und der Stan-dardgas-Sensorabschnitt 22 sind nahezu gleich ausgebildet; das Zielgas und das Standardgas, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen, können aber gleichzeitig gemessen werden, indem die Arbeitselektroden 13 und 16 in den . beiden Abschnitten 21 und 22 auf verschiedene Potentiale gelegt werden.

Sauerstoff ist in der Atmosphäre in gleichbleibender Konzentration enthalten. Solange keine Veränderung der Empfindlichkeit des Sensors eintritt, wird daher ein konstanter Sensorstrom in dem Sensorabschnitt 22 fliessen. Wenn hingegen die Sensorempfindlichkeit des Standardgas-Sensorabschnitts 22 mit der Zeit absinkt, so wird auch der Sensorstrom mit der Zeit schwacher. Genau die gleichen Erscheinungen treten aber auch in dem Zielgas-Sensorabschnitt 21 auf, da dieser gleich ausgebildet ist wie der Standardgas-Sensorab-schnitt; seine Empfindlichkeit nimmt also im Gleichlauf zu der des Sensorabschnitts 22 ab. Der Sensorstrom in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 wird nun konstant überwacht. Wenn der Sensorstrom unter einen vorbestimmten Wert absinkt, wird entschieden, dass die Lebensdauer des Zielgas-Sensorabschnitts 21 beendet ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele eines elektrochemischen Gassensors, an denen die zeitliche Veränderung der Gasdetektionseigenschaften untersucht wurden, werden nun näher beschrieben.

Beispiel 1

Eine quadratische Glasplatte von 10 mm Seitenlänge wird als isolierendes Substrat 10 verwendet. Um das Anhaften der Elektroden auf dem Substrat 10 zu verbessern, wird eine etwa 2000 A dicke Schicht aus Polysilizium auf der Glasplatte durch Zerstäubung aufgebracht. Zwei Sätze von Arbeitsund Gegenelektroden 13, 16 bzw. 14, 17 aus Platin und zwei Referenzelektroden 15, 18 aus Gold werden auf der Polysilizium-Schicht über dem Glassubstrat 10 durch Zerstäubung aufgebracht. Anschliessend werden über den Elektroden 13 bis 15 bzw. 16 bis 18 und dem Substrat 10 Festelektrolyt-Schichten 19 und 20 aufgebracht, indem eine 5%ige Lösung (gewichtsbezogen) von Perfluorosui-fonat-Polymer in einer Dicke von 3 um aufgegossen wird.

Zur Verifizierung, dass der beschriebene elektrochemische Gassensor mit dem Zielgas-Sensorab5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 683 037 A5

8

schnitt 21 und dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 sowohl seine Aufgabe als Sensor für das Zielgas als auch die Funktion einer Überprüfung der Lebensdauer erfüllt, wurde die zeitliche Änderung der Sensorempfindlichkeit bei Kohlenmonoxid und Sauerstoff gemessen. Für diese Messung wurde die in Fig. 3 gezeigte Messanordnung verwendet. Bei dieser Anordnung ist der elektrochemische Gassensor in einer Messkammer 30 aufgenommen Die Elektroden 13 bis 15 sowie 16 bis 18 sind an ihren freiliegenden Teilen über Verbindungsdrähte 31, 32 mit entsprechenden Potentialanschlüssen 33, 34 verbunden, an die wiederum Aufzeichnungsgeräte 35, 36 angeschlossen sind.

Die Spannung zwischen der Arbeitselektrode 13 und der Referenzelektrode 15 in dem Zielgas-Sen-sorabschnitt 21 wird auf 0,45 V zur Messung von Kohlenmonoxid als Zielgas eingestellt. Die Spannung zwischen der Arbeitselektrode 16 und der Referenzelektrode 18 in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 wird zur Messung von Sauerstoff auf -0,6 V eingestellt. Der Sauerstoff-Messstrom zwischen der Arbeitselektrode 16 und der Gegenelektrode 17 in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 wird in dem Aufzeichnungsgerät 36 fortwährend überwacht. Die Atmosphäre innerhalb der Messkammer 30 wurde dann durch Luft mit einem Gehalt von 1000 ppm Kohlenmonoxid ersetzt. Der Kohlenmonoxid-Sensorstrom zwischen der Arbeitselektrode 13 und der Gegenelektrode 14 in dem Zielgas-Sensorabschnitt 21 wird beobachtet. Die kohlenmonoxidhaltige Luft wurde in festen Zeitabständen in die Kammer 30 eingebracht und die Messung wiederholt vorgenommen.

Die Ergebnisse dieser Messung sind in Fig. 4 dargestellt. Wie aus den Messergebnissen leicht ersichtlich ist, besteht eine völlig übereinstimmende Tendenz in der zeitlichen Änderung der Empfindlichkeit des Zielgas-Sensorabschnitts 21 für Kohlenmonoxid und des Standardgas-Sensorabschnitts 22 für Sauerstoff. Wenn man annimmt, dass die Lebensdauer des Zielgas-Sensorabschnitts 21 erschöpft ist, wenn die Sensorfunktion unzureichend ist, so wird entschieden, dass seine Lebensdauer beendet ist, wenn die Sensorempfindlichkeit des Standardgas-Sensorabschnitts 22 unter einen vorbestimmten Wert abgesunken ist, welcher der Grenzempfindlichkeit nach Ablauf der Lebensdauer des Zielgas-Sensorabschnitts 21 entspricht. Die Alarmeinrichtung 26 gibt dann ein Alarmsignal ab, welches das Ende der Lebensdauer dieses Sensorabschnitts anzeigt.

Beispiel 2

Abgesehen davon, dass Gold für die Arbeitselektrode 16 in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 verwendet wird, wird der elektrochemische Gassensor in nahezu gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Der elektrochemische Gassensor wird derselben Messung wie bei Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind im Diagramm der Fig. 5 aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass zwar die Sensorempfindlichkeit für Sauerstoff in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 niedriger ist als bei Beispiel 1, die zeitliche Veränderung jedoch das gleiche Verhalten zeigt wie die der Sensorempfindlichkeit des Zielgas-Sensorabschnitts 21 für Kohlenmonoxid. Dies schafft beste Voraussetzungen für die Bestimmung der Betriebsfähigkeit des Gassensors.

Bei dem elektrochemischen Gassensor nach Fig. 1 kann eine genaue Messinformation unabhängig von äusseren Einflüssen erreicht werden, indem eine Empfindlichkeits-Korrekturschaltung 27 an die Ausgangsseite der Signalverarbeitungsschaltung 24 und der Alarmeinrichtung 26 angeschlossen wird, um das Ausgangssignal des Zielgas-Sensorabschnitts 21 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Standardgas-Sensorabschnitts 22 zu korrigieren. Bei der Empfindlichkeits-Testanord-nung nach Fig. 3 kann der Standardgas-Sensorab-schnitt 22 intermittierend betrieben werden, indem eine intermittierend arbeitende Detektoreinrichtung 37 an den Potentialanschluss 34 angeschlossen wird, der seinerseits mit dem Standardgas-Sensorabschnitt 22 verbunden ist.

In den Fig. 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Gassensors dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind der Zielgas-Sensorabschnitt 21A und der Standardgas-Sensorabschnitt 22A auf getrennten isolierenden Substraten 10A, 10Aa angeordnet. Ansonsten sind die Bestandteile und Funktionen bei dieser Ausführungsform des Sensors die gleichen wie bei der nach den Fig. 1 und 2; die einander entsprechenden Elemente sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen, denen ein «A» hinzugefügt wurde.

Beispiel 3

Abgesehen von der Ausbildung des Zielgas-Sen-sorabschnitts 21A und des Standardgas-Sensorabschnitts 22A auf zwei getrennten isolierenden Substraten 10A und 10Aa wird der elektrochemische Gassensor in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.

Dieser elektrochemische Gassensor wurde dann in die Messkammer 30A (Fig. 8) eingebracht, und die gleichen Überprüfungen wie anhand von Fig. 3 beschrieben werden ausgeführt. Es werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie in Fig. 4 dargestellt erzielt.

Beispiel 4

Abgesehen von der Verwendung von Gold als Material für die Arbeitselektrode 16A in dem Sensorabschnitt 22A wird ein elektrochemischer Gassensor in gleicher Weise wie bei dem beschriebenen Beispiel 3 hergestellt. An diesem elektrochemischen Gassensor werden die gleichen Messungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Es werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie in Fig. 5 gezeigt erzielt.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird die Empfindlichkeits-Korrekturschaltung gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung dahingehend verändert, dass eine Subtraktion eines Ausgangswertes des Standardgas-Sensorabschnitts von einem Aus5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

9

CH 683 037 A5

10

gangswert des Zielgas-Sensorabschnitts vorgenommen wird. Ferner wird der Ausgangswert des Standardgas-Sensorabschnitts mit einem geeigneten Faktor multipliziert und der Ausgangswert des Stan-dardgas-Sensorabschnitts durch das erhaltene Produkt dividiert, oder das Produkt wird vom Ausgangswert des Zielgas-Sensorabschnitts subtrahiert.

Beispiel 5

Bei einem nach Beispiel 1 hergestellten elektrochemischen Gassensor werden die gleichen Messungen wie bei der Messanordnung nach Fig. 3 vorgenommen. Zusätzlich zu der periodischen Zufuhr von Kohlenmonoxid werden Feuchtigkeit oder Temperatur in weiten Bereichen verändert.

Die Messergebnisse für eine Änderung der Feuchtigkeit sind in Fig. 9, die für eine Änderung der Temperatur in Fig. 10 dargestellt. Es ergibt sich aus diesen Messungen, dass die Empfindlichkeitseigenschaften des Zielgas-Sensorabschnitts für Kohlenmonoxid und die des Standardgas-Sensorab-schnitts für Sauerstoff dieselbe Tendenz aufweisen und dass eine konstante Korrelation zwischen den beiden Sensorabschnitten hinsichtlich der Empfindlichkeitseigenschaften erhalten bleibt, auch wenn Feuchtigkeit und Temperatur der Umgebung verändert werden. Die Empfindlichkeits-Korrekturschal-tung wurde so ausgelegt, dass sie eine Korrektur auf der Basis eines Empfindlichkeits-Korrekturfak-tors und anderer Bedingungen vornimmt, die nach dem Empfindlichkeitsverhältnis und ähnlicher Werte für den Zielgas-Sensorabschnitt und den Standard-gas-Sensorabschnitt bestimmt wurde. Auf diese Weise kann ein konstantes Ausgangssignal für einen bestimmten festen Kohlenmonoxidanteil unabhängig von den Umgebungsbedingungen oder von zeitlichen Veränderungen gewonnen werden. Es wurde also gefunden, dass durch eine Korrektur des Ausgangssignals des Zielgas-Sensorabschnitts auf der Grundlage des Ausgangssignals des Stan-dardgas-Sensorabschnitts eine genaue Sensorinformation gewonnen werden kann, wobei jegliche Einflüsse aufgrund von veränderlicher Feuchtigkeit und Temperatur sowie aufgrund des Zeitfaktors in der Empfindlichkeit vermieden werden können.

Beispiel 6

Mit Ausnahme der Verwendung von Gold als Material für die Arbeitselektrode bei dem Standardgas-Sensorabschnitt nach Beispiel 5 wird ein elektrochemischer Gassensor in gleicher Weise wie nach Beispiel 3 hergestellt. Dieser elektrochemische Gassensor wird dann den gleichen Messungen wie bei Beispiel 5 unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 11 und 12 aufgetragen. Es besteht im wesentlichen dieselbe Tendenz wie in den Fig. 9 und 10, abgesehen davon, dass die Sensorempfindlichkeit des Standardgas-Sensorabschnitts für Sauerstoff geringer ist. Es kann eine genaue Empfindlichkeitskorrektur vorgenommen werden.

Bei der weiteren, in den Fig. 13 bis 15 gezeigten Ausführungsform des elektrochemischen Gassensors sind der Zieigas-Sensorabschnitt 21B und der

Standardgas Sensorabschnitt 22B auf getrennten isolierenden Substraten 10B und 10Ba angeordnet, auf denen jeweils ein isolierender rechtwinkliger Rahmen 10B' bzw. 10Ba' aufgelegt ist. Innerhalb dieser Rahmen 10B' und 10Ba' sind die reaktiven Teile der jeweiligen Elektroden beider Sensorabschnitte 21B und 22B angeordnet und durch eine Festelektrolyt-Schicht 19B bzw. 20B abgedeckt Zwei Sätze von Elektroden 13B bis 15B bzw. 16B bis 18B dieser Sensorabschnitte 21B und 22B sind über entsprechende Gruppen von Verbindungsleitern 23B und 25B mit einem äusseren Schaltkreis 28B verbunden, der eine Signalverarbeitungsschaltung, eine Alarmeinrichtung für die Erschöpfung der Lebensdauer sowie eine Empfindlichkeits-Korrektur-schaltung gemäss Fig. 1 enthält. In diesen Sensorabschnitten 21B und 22B wird Platin für die Gegenelektroden 14B und 17B sowie Gold für die Referenzelektroden 15B und 18B verwendet, während die Arbeitselektrode 13B in dem Zielgas-Sensorab-schnitt 21B aus Platin und die Arbeitselektrode 16B in dem Standardgas-Sensorabschnitt 22B aus Gold gebildet wird. Ansonsten ist die Ausbildung bei dieser Ausführungsform die gleiche wie bei den Fig. 1 und 2; einander entsprechende Elemente sind in den Fig. 13 bis 15 mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2, jedoch mit einem hinzugefügten «B» bezeichnet.

Bei der weiteren, in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform wird ein einzelnes isolierendes Substrat 10C verwendet. Ein einzelner rechtwinkliger isolierender Rahmen 10C' ist darauf aufgelegt. Die reaktiven Teile der Sätze von Elektroden 13C bis 15C bzw. 16C bis 18C der Sensorabschnitte 21C und 22C sind im Inneren dieses isolierenden Rahmens 10C' angeordnet und ragen mit ihren Anschlussteilen aus diesem Rahmen heraus. Eine einzelne Festelektrolyt-Schicht 19C ist ebenfalls im Inneren des Rahmens 10C' gelegen, um alle reaktiven Teile der Elektroden 13C bis 15C sowie 16C bis 18C abzudecken. Bei dieser Ausführungsform sind die reaktiven Teile aller Elektroden 13C bis 15C sowie 16C bis 18C beider Sensorabschnitte 21C und 22C gemeinsam durch die einzelne Festelektrolyt-Schicht 19C abgedeckt, so dass die Elektroden gleichen Bedingungen wie Feuchtigkeitsgehalt der Festelektrolyt-Schicht 19C ausgesetzt sind, welche wichtig für die elektrochemische Reaktion sind. Die Empfindlichkeitskorrektur des Ausgangssignals des Zielgas-Sensorabschnitts 21C auf der Grundlage des Ausgangssignals des Standardgas-Sensorabschnitts 22C kann genauer erfolgen. Zugleich wird die Baugrösse des elektrochemischen Gassensors minimiert. Ansonsten ist die Ausbildung die gleiche wie bei den Fig. 1 und 2 bzw. 13 bis 15; einander entsprechende Elemente sind in Fig. 16 mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2, jedoch mit einem hinzugefügten «C» bezeichnet.

Es wurden die Empfindlichkeitskurven beider Sensorabschnitte für die Ausführungsformen nach Fig. 13 bis 15 sowie Fig. 16 gemessen. In Fig. 17 sind die Messwerte für einen Oxidationsstrom bei Kohlenmonoxid in einem Anteil von 100 ppm und für den Reduktionsstrom bei Sauerstoff, wie er in der Atmosphäre enthalten ist, gezeigt. Wie sich aus

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

6

11

CH 683 037 A5

12

dem oberen Teil des Diagramms der Fig. 17 ergibt, erhält man ein definiertes Ausgangssignal, d.h. einen CO-Oxidationsstrom an der Platin-Arbeitselektrode des Zielgas-Sensorabschnitts, bei Beginn und Ende der Eingabe von Kohlenmonoxid; wie aus dem unteren Teil der Fig. 17 hervorgeht, ändert sich der Sauerstoff-Reduktionsstrom erheblich durch die Anwesenheit von Kohlenmonoxid, wie in dem Diagramm durch eine gestrichelte Kurve veranschaulicht ist, für den Fall, dass die Arbeitselektrode in dem Standardgas-Sensorabschnitt durch eine solche aus Platin ersetzt wird und die angelegte Spannung dem Potential zur Detektion von Sauerstoff entspricht. Der Sauerstoff-Reduktionsstrom wird also erheblich durch die Toxizität des Kohlen-monoxids reduziert. Wenn hingegen die Arbeitselektrode in dem Standardgas-Sensorabschnitt aus Gold hergestellt wird, wird ein konstantes festes Ausgangssignal als Sauerstoff-Reduktionsstrom erzielt, unabhängig von der Anwesenheit von Kohlenmonoxid; die Toxizität des Kohlenmonoxids hat dann keinerlei Einfluss. Auf diese Weise kann nachgewiesen werden, dass das Ausgangssignal des Standardgas-Sensorabschnitts zuverlässig als Standardsignal zur Korrektur verwendet werden kann (siehe Fig. 18).

In Fig. 19 sind die Messungen für die Beziehung zwischen der angelegten Spannung an der Arbeitselektrode und dem Sauerstoff-Reduktionsstrom in dem Standardgas-Sensorabschnitt sowohl für eine sauerstoffhaltige Umgebungsatmosphäre als auch für eine kohlenmonoxidhaltige Umgebungsatmosphäre gezeigt. Aus Fig. 19 ergibt sich, dass durch die Verwendung von Gold bei der Arbeitselektrode genau die gleichen Eigenschaften bei allen Umgebungen erzielt werden können, unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Kohlenmonoxid. Das Ausgangssignal des Standardgas-Sensorabschnitts wird also durch die Anwesenheit von Kohlenmonoxid im wesentlichen nicht beeinflusst. In Fig. 19 sind ferner gleiche Prüfungs-Messergebnis-se für eine Arbeitselektrode des Standardgas-Sensorabschnitts gezeigt, die durch eine solche aus einer Gold/Goldschwarz-Kombination anstelle von Gold ersetzt ist. Bei diesen Messungen zeigt sich, dass durch eine solche Gold/Goldschwarz-Elektrode ein grösserer Sauerstoff-Reduktionsstrom als bei Verwendung einer Goldelektrode für gleiches Potential erzielt werden kann.

Fig. 20 zeigt Messergebnisse für die Empfindlichkeitseigenschaften des Standardgas-Sensorab-schnitts gegenüber Kohlenmonoxid bei Verwendung einer Arbeitselektrode aus einer Gold/Goldschwarz-Kombination und bei unterschiedlichen angelegten Spannungen. Beim Vergleich der Messergebnisse mit denen für eine Arbeitselektrode aus Gold gemäss Fig. 17 ergibt sich, dass ein Sauerstoff-Reduktionsstrom, der erzielt wird, wenn eine Spannung von -0,6 V an eine Arbeitselektrode aus Gold angelegt wird, bei einer niedrigeren angelegten Spannung erzielt werden kann, wenn die Elektrode aus einer Gold/Goldschwarz-Kombination besteht. Man erzielt also ein höheres Ausgangssignal bei Verwendung einer Gold/Goldschwarz-Arbeitselektrode. Wenn die an die Arbeitselektrode angelegte

Spannung relativ gering ist, können Störeinflüsse durch andere Gase als Sauerstoff sowie Einflüsse durch andere Störungen vermieden werden, so dass ein genaueres Ausgangssignal gewonnen werden kann. In der Praxis wurde gefunden, dass bei Verwendung einer Arbeitselektrode aus Gold/Goldschwarz in dem Standardgas-Sensorabschnitt die Empfindlichkeitskorrektur genauer erfolgen kann als bei Verwendung einer Arbeitselektrode aus Gold; die Empfindlichkeit zeigt dann praktisch keinerlei Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder von der Zeit.

Eine Gold/Goldschwarz-Elektrode kann auf folgende Weise hergestellt werden: Zunächst wird eine Goldschicht durch ein Metallfilm-Bildungsverfahren wie einen Zerstäubungsprozess aufgebracht; anschliessend werden feine Goldteilchen elektrolytisch auf der Oberfläche der Goldschicht aus einer Chlorogold(lll)säure niedergeschlagen.

Die Fig. 21 und 22 zeigen eine weitere Ausführungsform des elektrochemischen Gassensors, bei welcher auf jeder Seite eines einzelnen isolierenden Substrates 10D einer der beiden Sensorabschnitte 21D und 22D aufgebracht ist. Ansonsten ist die Ausbildung die gleiche wie bei den Fig. 1 und 2; einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet, jedoch mit einem angefügten «D».

Beispiel 7

Der elektrochemische Gassensor wird in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit folgender Ausnahme: Die Elektroden 13D bis 15D und die Festelektrolyt-Schicht 19D des Zielgas-Sensorab-schnitts 21D werden auf der einen Oberfläche einer quadratischen Glasplatte von 10 mm Seitenlänge als isolierendes Substrat ausgebildet, und die Elektroden 16D bis 18D sowie die Festelektrolyt-Schicht 20D des Standardgas-Sensorabschnitts 22D werden auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates 10D ausgebildet.

Der elektrochemische Gassensor wird, wie in Fig. 23 gezeigt, in eine Messkammer 30D von annähernd gleicher Ausbildung wie in Fig. 3 angeordnet. Der Sensorabschnitt 21D wird zur Detektion von Kohlenmonoxid mit einer Spannung von 0,40 V zwischen der Arbeitselektrode 13D und der Referenzelektrode 15D versorgt; der Standardgas-Sensorabschnitt 22D wird zur Detektion von Sauerstoff mit einer Spannung von -0,60 V zwischen der Arbeitselektrode 16D und der Referenzelektrode 18D versorgt. Mittels des Aufzeichnungsgerätes 36D wird der Sauerstoff-Sensorstrom zwischen der Arbeitselektrode 16D und der Gegenelektrode 17D des Sensorabschnitts 22D fortwährend überwacht. Anschliessend wird die Atmosphäre innerhalb der Kammer 30D (Luft) gegen eine solche ausgetauscht, die 1000 ppm Kohlenmonoxid enthält. Dann wird der Kohlenmonoxid-Sensorstrom zwischen der Arbeitselektrode 13D und der Gegenelektrode 14D des Sensorabschnitts 21D mittels des Aufzeichnungsgerätes 35D gemessen.

In Fig. 24 ist die Empfindlichkeit des Zielgas-Sensorabschnitts 21D einer Ausführung gemäss

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

13

CH 683 037 A5

14

Fig. 21 und 22 mit dem Standardgas-Sensorabschnitt auf der einen Seite des Substrates und dem Zielgas-Sensorabschnitt auf der anderen Seite des Substrates gegenüber Kohlenmonoxid gezeigt. Dort entspricht die Stromanstiegskomponente nach 0 sec. der Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid. In Fig. 25 sind die Empfindlichkeitsmessungen für Kohlenmonoxid bei einem elektrochemischen Gassensor gezeigt, der als Vergleichsbeispiel zwei Sätze von halb so grossen Sensorabschnitten enthält, die auf der gleichen Seite eines einzelnen isolierenden Substrats gleicher Grösse wie bei Fig. 2 gebildet sind, wie bei dem Beispiel 1. Wie aus den Fig. 24 und 25 durch Vergleich miteinander hervorgeht, ergibt sich eine Verbesserung der Empfindlichkeit um den Faktor 2 oder 3 bei dieser Ausführungsform gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

In den Fig. 26 und 27 sind die Empfindlichkeitsmessungen für Sauerstoff bei der vorliegenden Ausführungsform und bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform gezeigt. Der Vergleich dieser Messungen lässt erkennen, dass auch hier die Empfindlichkeit um einen Faktor 2 oder 3 (für Sauerstoff) gegenüber den zuvor betrachteten Ausführungsformen gesteigert werden konnte.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 21 und 22 sind die beiden Sätze von Elektroden 13D bis 15D bzw. 16D bis 18D so angeordnet, dass ihre Anschlussteile auf derselben Seite des isolierenden Substrates 10D auf dessen beiden Oberflächen gelegen sind; bei der in den Fig. 28 und 29 gezeigten Ausführungsform sind die beiden Sätze von Elektroden 13E bis 15E bzw. 16E bis 18E auf den beiden Oberflächen eines einzelnen isolierenden Substrates 10E so angeordnet, dass ihre Anschlussteile auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Substrates 10E gelegen sind. Hierdurch wird der Anschluss der beiden Elektrodensätze an die Signalverarbeitungsschaltung 24E und an die Alarmeinrichtung 26E erheblich vereinfacht. Ansonsten ist die Ausbildung der Ausführungsform nach den Fig. 28 und 29 die gleiche wie bei den Fig. 21 und 22.

Bei der weiteren, in den Fig. 30 und 31 gezeigten Ausführungsform ist die Festelektrolyt-Schicht 19F über den Reaktionsteilen der Elektroden 13F bis 15F in dem Zielgas-Sensorabschnitt vollständig von einem Schutzfilm 19Fa bedeckt; die Festelek-trolyt-Schicht 20F, welche die Elektroden 16F bis 18F des Standardgas-Sensorabschnitts abdeckt, ist teilweise mit einem Schutzfilm 10Fa überzogen, in demjenigen Teil, welcher die Arbeitselektrode 16F abdeckt. Ansonsten ist die Ausbildung die gleiche wie bei den Fig. 1 und 2; einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet, jedoch mit einem hinzugefügten «F».

Beispiel 8

Der elektrochemische Gassensor wird in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit folgender Ausnahme: Die Festelektrolyt-Schichten 19F und 20F werden vollständig bzw. teilweise mit einem

Schutzfilm 19Fa bzw. 20Fa abgedeckt, der durch Plasma-Polymerisation eines Tetrafluorethylen-Poly-mers gebildet wird. Es werden im wesentlichen die gleichen Überprüfungen wie anhand von Fig. 3 beschrieben mit nahezu der gleichen dort gezeigten Prüfanordnung durchgeführt.

Die Messergebnisse sind in Fig. 32 dargestellt. Wie sich daraus ergibt, zeigen der Zielgas-Sensorabschnitt und der Standardgas-Sensorabschnitt nahezu gleiches Verhalten, so dass die Lebensdauer schnell und zuverlässig in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen beurteilt werden kann.

Beispiel 9

Ein elektrochemischer Gassensor wird in gleicher Weise wie gemäss Beispiel 8 hergestellt, mit folgender Ausnahme: Anstelle des Tetrafluorethylen-Polymers für die Schutzfilme 19Fa und 20Fa wird Polytetrafluorethylen aufgebracht (bekannt unter der Handelsbezeichnung Teflon, Warenzeichen von Du Pont). Es werden die gleichen Überprüfungen wie anhand von Fig. 3 beschrieben im wesentlichen mit der dort gezeigten Anordnung ausgeführt.

Die Testergebnisse sind in Fig. 33 gezeigt. Daraus geht hervor, dass zwar die Empfindlichkeit etwas schneller abnimmt als im Falle des Beispiels 1, die Lebensdauer jedoch schnell und zuverlässig in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen beurteilt werden kann.

Beim Vergleich der Fig. 32 und 33 mit den Fig. 4 und 5 zeigt sich, dass die Schnelligkeit, mit der die Empfindlichkeit des Sensors abnimmt, durch die Verwendung des Schutzfilms deutlich vermindert werden kann, im Vergleich zu den Beispielen 1 und 2.

Bei der in den Fig. 34 und 35 gezeigten Ausführungsform ist die Arbeitselektrode 16G des Standardgas-Sensorabschnitts an einem gestuften Teil des isolierenden Substrates 10G ausgebildet. Die Festelektrolyt-Schicht 20G ist an dem Teil, welcher über der Arbeitselektrode 16G liegt, dicker ausgebildet. Der Schutzfilm 20Ga für die Festelektrolyt-Schicht 20G kann somit deren gesamte Oberfläche abdecken. Da also das isolierende Substrat 10G in demjenigen Bereich, welcher der Arbeitselektrode 16G des Standardgas-Sensorabschnitts entspricht, mit einer Stufe versehen ist und die Festelektrolyt-Schicht 20G in ihrem der Elektrode 16G gegenüberliegenden Bereich dicker ausgebildet ist, kann die Menge des Standardgases, welches die Arbeitselektrode erreicht, gesteuert werden, und es kann verhindert werden, dass die Empfindlichkeit des Zielgas-Sensorabschnitts ein anderes Verhalten über die Zeit aufgrund des Einflusses der elektrochemischen Reaktion aufweist, als das Verhalten welches an dem Standardgas-Sensorabschnitt auftritt. Ansonsten sind Ausbildung und Funktion des Sensors nach den Fig. 34 und 35 die gleichen wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 30 und 31.

Bei der weiteren, in den Fig. 36 und 37 gezeigten Ausführungsform sind die Arbeitselektrode 16H und die Gegenelektrode 17H des Standardgas-Sen-sorabschnitts mit fingerförmigen Verlängerungen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

8

15

CH 683 037 A5

16

versehen, die interdigital ineinandergreifen, um die elektrochemische Reaktion auf das eigentliche Gebiet des Standardgas-Sensorabschnittes zu begrenzen und um so zu vermeiden, dass die Empfindlichkeit des Standardgas-Sensorabschnitts ein anderes Verhalten als das zeitliche Verhalten aufgrund des Einflusses auf die am Zielgas-Sensorabschnitt auftretende elektrochemische Reaktion aufweist. Ansonsten sind Ausbildung und Funktion dieser Ausführungsform die gleichen wie bei der nach den Fig. 30 und 31.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann das Ausgangssignal für die Lebensdauer-Alarmgabe intermittierend abgeleitet werden, indem eine intermittierend arbeitende Detektorseinrichtung wie bei der Messanordnung nach Fig. 3 an den Po-tentialanschluss 34 angelegt wird.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die selbsttätige Überprüfung der Betriebsfähigkeit auch mit einem einzigen Sensorabschnitt für das Zielgas und für das Standardgas durchgeführt werden. Bei einer solchen Ausführungsform entfällt der eine oder andere Sensorabschnitt. Ein gemäss dieser Ausführungsform ausgebildeter elektrochemischer Gassensor enthält dann nur einen Sensorabschnitt, beispielsweise bei den beiden getrennten isolierenden Substraten nach Fig. 13 oder einen Sensorabschnitt auf der oberen oder unteren Seite bei der Ausführungsform nach Fig. 16. Dieser Sensorabschnitt wird dann betrieben, indem an die Arbeitselektrode ein normales Potential von etwa 0,4 V für die Detektion des Zielgases angelegt wird, wie in Fig. 38 gezeigt, und intermittierend ein Potential von etwa -0,6 V zur Detektion des Standardgases in vorbestimmten Zeitintervallen. Der Sensormodus dieses einzelnen Sensorabschnitts wird durch eine externe Schaltung gewechselt. In dem Standardgas-Sensormodus kann angezeigt werden, ob die Lebensdauer erschöpft ist, wenn das Sensor-Ausgangssignal unter einen festen Wert abgesunken ist. Ansonsten sind bei dieser Ausführungsform die Ausbildung und Funktion die gleichen wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Wenn ein Selbsttest der Betriebsfähigkeit mit einem einzelnen Sensorabschnitt ausgeführt wird, tritt ein kurzes Leerintervall auf, in dem das Zielgas nicht erfasst werden kann, weil das Potential an der Arbeitselektrode auf den Wert für die Detektion des Standardgases umgeschaltet wird. Dieses Leerintervall kann je nach Gebrauchszweck des Sensors störend sein. Das Auftreten eines solchen Leerintervalls, in welchem das Zielgas nicht detektiert werden kann, kann vermieden werden, indem zwei Sensorabschnitte verwendet werden, deren Arbeitselektroden im Potential zwischen dem für das Zielgas und dem für das Standardgas umgeschaltet werden kann. Der eine Sensorabschnitt erfährt dann die in Fig. 39 gezeigte Umschaltung, während der andere die in Fig. 40 gezeigte Umschaltung erfährt. Der zeitliche Ablauf, nach dem die Arbeitselektroden der beiden Sensorabschnitte im Potential auf das für die Detektion des Standardgases vorgesehene Zeitintervall umgeschaltet werden, ist also verschieden. Bei einer solchen Ausführungsform können die verschiedenen Sensorabschnitte jeweils einzeln einen Selbsttest ihrer Betriebsfähigkeit ausführen, so dass sie einander überprüfen und Fehlfunktionen vermieden werden, die durch geringfügige Unterschiede in den Sensoreigenschaften der beiden Sensorabschnitte auftreten könnten. Derartige Differenzen könnten beispielsweise durch Herstellungstoleranzen zwischen dem Zielgas-Sensorabschnitt und dem Standardgas-Sensorabschnitt verursacht werden, wenn diese getrennt angeordnet sind, jedoch einander auf verschiedenen Substratseiten gegenüberliegen. Weiterhin ist ersichtlich, dass dann die Anzahl von Sensorabschnitten grösser als zwei sein kann; durch eine Vervielfachung der Sensorabschnitte kann die Sensorgenauigkeit gesteigert werden.

Claims (21)

Patentansprüche

1. Elektrochemischer Gassensor mit einem isolierenden Substrat, wenigstens zwei Sätzen von Gassensorabschnitten, von denen jeder eine Arbeits-, eine Gegen- und eine Referenzelektrode enthält, die jeweils einen reaktiven Bereich aufweisen, wobei diese Elektroden auf dem Substrat im Abstand voneinander angeordnet und mit wenigstens einer auf dem Substrat gebildeten Festelektrolyt-Schicht bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ferner an einen der Gassensorabschnitte eine Einrichtung zum Erspüren eines Zielgases bei dessen Auftreten in der Umgebung des Sensors angeschlossen ist, dass an den anderen Gassensorabschnitt eine Einrichtung zum Erspüren eines Standardgases angeschlossen ist, welches in der Umgebung in gleichbleibender Konzentration enthalten ist, und dass eine an die Einrichtung zum Erspüren von Standardgas angeschlossene Einrichtung vorhanden ist, die deren Ausgangssignalpegel überwacht, welche die gleichbleibende Anwesenheit von Standardgas anzeigt, um auf der Grundlage des Ausgangssignalpegels der Einrichtung zum Erspüren des Standardgases eine Entscheidung hinsichtlich der Lebensdauer des an die Einrichtung zum Erspüren des Zielgases angeschlossenen Gassensorabschnitts zu treffen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolyt-Schicht zumindest teilweise durch einen Schutzfilm abgedeckt ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Einrichtung zum Erspüren des Standardgases und an die Einrichtung zum Erspüren des Zielgases eine Korrektureinrichtung angeschlossen ist, welche eine Sensorausgangs-grösse der Einrichtung zum Erspüren des Zielgases auf der Grundlage des Ausgangssignalpegels der Einrichtung zum Erspüren des Standardgases korrigiert.

4. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung der Lebensdauer eine Diskrimina-torschaltung enthält, die feststellt, wenn der Ausgangssignalpegel der Einrichtung zum Erspüren des Standardgases unter einen vorbestimmten Wert absinkt.

5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprü5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

17

CH 683 037 A5

18

che, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektrode des Standardgas-Sensorabschnitts aus Gold gebildet ist.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Substrat eine einzelne Platte ist, auf der gemeinsam beide Sensorabschnitte angeordnet sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als isolierendes Substrat zwei getrennte Platten vorgesehen sind, wobei auf der einen Platte der Zielgas-Sensorabschnitt und auf der anderen Platte der Standardgas-Sensorabschnitt gebildet ist.

8. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sensorabschnitte auf derselben Oberfläche eines einzelnen plattenförmigen Substrats angeordnet sind.

9. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielgas-Sensorabschnitt auf der einen und der Standardgas-Sensorabschnitt auf der anderen Seite eines einzelnen plattenförmigen Substrats angeordnet sind.

10. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzfilm auf der Festelektrolyt-Schicht beider Sensorabschnitte angeordnet ist.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Substrat mit einem gestuften Teil versehen ist, an welchem die Arbeitselektrode des Standardgas-Sensorabschnitts angeordnet ist, und dass die Festelektrolyt-Schicht in demjenigen Bereich, welcher über der Arbeitselektrode liegt, dicker als an den anderen Bereichen ausgebildet ist.

12. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzfilm die gesamte Festelektrolyt-Schicht des Sensorabschnitts für das Zielgas abdeckt und dass der Schutzfilm des Standard-gas-Sensorabschnitts nur einen Teil der Festelektrolyt-Schicht abdeckt und über der Arbeitselektrode des Standardgas-Sensorabschnitts liegt.

13. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode in dem Standardgas-Sensorabschnitt mit fingerförmigen Teilen versehen sind, die interdigital ineinandergreifen.

14. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erspüren des Zielgases an die Arbeitselektrode des an diese Einrichtung angeschlossenen Sensorabschnitts ein konstantes, auf den Nachweis des Zielgases eingestelltes elektrisches Potential anlegt und dass die Einrichtung zum Erspüren des Standardgases an die Arbeitselektrode des an diese Einrichtung angeschlossenen Sensorabschnitts ein auf Standardgas eingestelltes, konstantes elektrisches Potential anlegt.

15. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Einrichtung vorgesehen ist, die sowohl an den Sensorabschnitt für das Zielgas als auch an den Standardgas-Sensorabschnitt angeschlossen ist, um den Ausgangswert des Sensorabschnitts für das Zielgas auf der Grundlage des Ausgangswertes des Standardgas-Sensorabschnitts in bezug auf einen

Einfluss der Umgebungsbedingungen zu korrigieren.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss die umgebende Feuchtigkeit ist.

17. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss die Umgebungstemperatur ist.

18. Elektrochemischer Gassensor mit einem isolierenden Substrat, einem Gassensorabschnitt, der einen Elektrodensatz bestehend aus einer Arbeits-, einer Gegen- und einer Referenzelektrode enthält, wobei die Elektroden auf dem isolierenden Substrat im Abstand voneinander angeordnet und mit einer auf dem isolierenden Substrat gebildeten Festelektrolyt-Schicht bedeckt sind, und mit einer Einrichtung zum Erspüren von Gasen, die zum Nachweis eines in der Umgebung des Sensors enthaltenen Gases an den Gassensorabschnitt angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erspüren von Gasen zum Nachweis eines Zieigases bei dessen Auftreten in der Umgebung des Sensors und ausserdem zum Nachweis von Standardgas vorgesehen ist, welches in gleichbleibender Konzentration in der Umgebung vorhanden ist, wobei an die Arbeitselektrode in dem Elektrodensatz ein elektrisches Potential angelegt wird, welches zwischen einem ersten Wert, der auf den Nachweis des Zielgases eingestellt ist, und einem zweiten Wert umgeschaltet wird, der auf den Nachweis von Standardgas eingestellt ist, und dass die Einrichtung zum Erspüren von Gasen an eine Einrichtung zur Bestimmung der Lebensdauer des Gassensorabschnitts in bezug auf das Zielgas auf der Grundlage einer Ausgangsgrösse der Einrichtung zum Erspüren von Gasen in bezug auf das gleichbleibend vorhandene Standardgas angeschlossen ist.

19. Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erspüren von Gasen an die Arbeitselektrode ein Potential anlegt, welches normalerweise zum Nachweis des Zielgases auf dem ersten Wert gehalten wird, und welches in einem vorbestimmten Zeitintervall intermittierend auf dem zweiten Wert zum Nachweis von Standardgas gehalten wird.

20. Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensorabschnitt paarweise vorgesehen ist und dass die Einrichtung zum Erspüren von Gasen an das Gassensorabschnittpaar angeschlossen ist und an die Arbeitselektroden beider Abschnitte ein Potential anlegt, welches jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Wert umgeschaltet wird, wobei das vorbestimmte Zeitintervall abwechslungsweise zu verschiedenen Zeiten auf jeden Gassensorabschnitt gelegt wird.

21. Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Einrichtung zur Korrektur einer Ausgangsgrösse in bezug auf das Zielgas auf der Grundlage des Ausgangssignalpegels in bezug auf das Standardgas an die Einrichtung zum Erspüren von Gasen angeschlossen ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

10