DE102004008233A1 - Gassensorelement mit Empfindlichkeits-regenerierungsschaltung und Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements - Google Patents

Gassensorelement mit Empfindlichkeits-regenerierungsschaltung und Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements Download PDF

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Abstract

Ein Gassensorelement besitzt eine Sensorzelle, die aus einem Festelektrolytkörper und zwei, an dem Festelektrolytkörper angebrachten Elektroden besteht. Eine dieser Elektroden ist einem Gasbestandteil, wie dem in den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenen NOx, ausgesetzt und spricht darauf zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration dieses Gasbestandteils an. Das Gassensorelement ist mit einer Empfindlichkeits-Regenerierungsschaltung versehen, die dazu dient, diese Elektrode der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen und auf diese Weise die Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle wieder herzustellen. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements angegeben, das die Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle für eine längere Zeitdauer gewährleistet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gassensorelement mit einer Empfindlichkeits-Regenerierungsschaltung zur Wiederherstellung der nach längerer Verwendung verringerten Empfindlichkeit des Gassensorelements sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, das eine gewünschte Empfindlichkeit eines Gassensorelements für eine längere Zeitdauer gewährleistet.
  • Die durch Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen hervorgerufene Luftverschmutzung hat in jüngerer Zeit zu schwerwiegenden Umweltbelastungen geführt, was zur Folge hat, dass die Emissionsauflagen Jahr um Jahr immer mehr verschärft werden.
  • Eine Verringerung der potentiellen Schadstoffe in den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen lässt sich durch Verwendung von Verbrennungsregelsystemen zur Regelung des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine sowie durch Verwendung von Abgas-Katalysatorsystemen erzielen, die Abgas-Schadstoffe in harmlose oder weniger schädliche Verbrennungsprodukte umsetzen. Eine effektivere Schadstoffminderung lässt sich durch Messung der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) und Rückkopplung der Messwerte auf ein Verbrennungsregelsystem der Brennkraftmaschine oder ein Katalysator-Überwachungssystem erzielen. Es sind daher bereits einige NOx-Sensoren vorgeschlagen worden, mit deren Hilfe eine sehr genaue Bestimmung der Konzentration von NOx in den Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen möglich ist.
  • Aus der japanischen Patentschrift Nr. 2885336 ist ein typischer NOx-Sensor bekannt. In 12 ist ein Gassensorelement veranschaulicht, das bei einem solchen NOx-Sensor Verwendung findet.
  • Das in 12 dargestellte Gassensorelement 1 umfasst Festelektrolytschichten 51 und 52 sowie eine zwischen den Festelektrolytschichten 51 und 52 ausgebildete Messgaskammer 7, in die ein zu messendes Gas (das nachstehend auch als Messgas bezeichnet ist) über eine poröse Schutzschicht 12 und ein Nadelloch 11 eintreten kann. Die Messgaskammer 7 besteht aus einer ersten Messgas-Unterkammer 7a und einer zweiten Messgas-Unterkammer 7b. Das Gassensorelement 1 umfasst außerdem eine Sauerstoff-Pumpzelle 2, eine Sauerstoff-Überwachungszelle 3 sowie eine Sensorzelle 4. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wird von Pumpzellenelektroden 2a und 2b gebildet, die an der Festelektrolytschicht 52 befestigt sind, während die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 von Überwachungszellenelektroden 3a und 3b gebildet wird, die an der Festelektrolytschicht 51 befestigt sind. Die Sensorzelle 4 wird von Sensorzellenelektroden 4a und 4b gebildet, die an der Festelektrolytschicht 51 befestigt sind.
  • Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 pumpt in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung Sauerstoff in die erste Messgas-Unterkammer 7a hinein oder aus der ersten Messgas-Unterkammer 7a heraus. Die Überwachungszelle 3 dient zur Überwachung der Konzentration von Sauerstoff in der ersten Messgas-Unterkammer 7a. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wird durch Rückkopplung derart geregelt, dass die von der Überwachungszelle 3 überwachte Konzentration von Sauerstoff in der ersten Messgas-Unterkammer 7a auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Sensorzelle 4 ist der zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzt und dient zur Aufspaltung von NOx zur Erzeugung von Sauerstoffionen.
  • Die Konzentration von Sauerstoff in der ersten Messgas-Unterkammer 7a wird in der vorstehend beschriebenen Weise durch die Sauerstoff-Pumpzelle 2 konstant gehalten, sodass auch die Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b konstant gehalten wird. Auf diese Weise kann die Konzentration von NOx als Funktion der Menge an Sauerstoffionen bzw. als Funktion eines Sauerstoffionenstroms bestimmt werden, der zwischen den Sensorzellenelektroden 4a und 4b fließt. Die Bezugszahlen 61 und 62 bezeichnen Distanzstücke, während die Bezugszahl 81 eine Referenzgaskammer bezeichnet, in die Luft als Referenzgas geführt wird. Die Bezugszahl 9 bezeichnet ein Heizelement.
  • Die in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b angeordnete Sensorzellenelektrode 4a wird von einer aus einem metallkeramischen Verbundwerkstoff bestehenden, sog. Cermet-Elektrode gebildet, die Rhodium (Rh) zur Erleichterung der Reduktion und Aufspaltung von NOx enthält.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde das Gassensorelement 1 Haltbarkeits- bzw. Beständigkeitstests unterzogen, wobei festgestellt werden konnte, dass die Reaktionsfähigkeit der Sensorzellenelektrode 4a in Bezug auf die Aufspaltung von NOx nach längerer Verwendung abnimmt, was dazu führt, dass eine genaue Bestimmung der Konzentration von NOx mit Schwierigkeiten verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gassensorelement anzugeben, das derart ausgestaltet ist, dass ein gewünschter Empfindlichkeitsgrad einer Sensorzelle in Bezug auf einen zu messenden Gasbestandteil wie NOx für eine längere Zeitdauer gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gassensorelement angegeben, das zur Messung der Konzentration von NOx in den Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden kann. Dieses Gassensorelement umfasst (a) eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, (b) eine Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, (c) eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und (d) eine Steuerschaltung, die den Betrieb der Sauerstoff-Pumpzelle zur Aufrechterhaltung eines gegebenen niedrigen Konzentrationswertes des Sauerstoffs in der ersten Messgaskammer während einer ersten Zeitdauer steuert, wenn die Bestimmung der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils erforderlich ist, und während einer in Bezug auf die erste Zeitdauer unterschiedlichen zweiten Zeitdauer Sauerstoff in die Messgaskammer injiziert, um die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen.
  • Die Abnahme der Empfindlichkeit der Sensorzelle lässt sich auf eine Verringerung des Bereichs der Außenfläche der ersten Sensorzellenelektrode zurückführen, die durch eine Agglomeration bzw. Sinterung ihrer metallischen Verbindungen hervorgerufen wird. Die Steuerschaltung dient zur Oxidation eines Teils der metallischen Verbindungen der ersten Sensorzellenelektrode, um auf diese Weise das Volumen der ersten Sensorzellenelektrode zu vergrößern und damit die Abnahme des Bereichs der ersten Sensorzellenelektrode aufzuheben, wodurch sich die Empfindlichkeit der Sensorzelle wiederherstellen lässt.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die der Messgaskammer ausgesetzte erste Sensorzellenelektrode von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet. Die vorstehend beschriebene Abnahme der Empfindlichkeit tritt vorzugsweise bei einer Rhodium enthaltenden Elektrode auf, die zur Messung von NOx dient. Der vorstehend beschriebene Regenerierungsvorgang erweist sich in einem solchen Falle als effektiver.
  • Bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre im Messgas kann die Steuerschaltung die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktivieren und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzen.
  • Wenn das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas ist, kann die Steuerschaltung bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktivieren und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzen.
  • Die Steuerschaltung kann auch die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktivieren und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzen.
  • Das Gassensorelement kann außerdem auch eine Sauerstoff-Überwachungszelle umfassen, die die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, wobei die Steuerschaltung bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre in der Messgaskammer die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  • Die Steuerschaltung kann bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine dann die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktivieren und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzen. Alternativ kann die Steuerschaltung die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Sauerstoff-Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktivieren und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzen.
  • Die Steuerschaltung kann die in der ersten Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre in einem Zustand aussetzen, bei dem die Temperatur des Gassensorelements 400°C oder mehr beträgt.
  • Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Gassensorelements angegeben, das (a) eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, (b) eine Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und (c) eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils umfasst, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist. Das Verfahren umfasst hierbei die Schritte: (a) Aktivierung der Sauerstoff-Pumpzelle zur Aufrechterhaltung eines gegebenen niedrigen Konzentrationswertes des Sauerstoffs in der ersten Messgaskammer während einer ersten Zeitdauer, wenn die Bestimmung der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils erforderlich ist, und (b) Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer während einer in Bezug auf die erste Zeitdauer unterschiedlichen zweiten Zeitdauer, um die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die der Messgaskammer ausgesetzte erste Sensorzellenelektrode von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet.
  • Im Sauerstoff-Injektionsschritt wird bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre im Messgas die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt.
  • Wenn das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas ist, kann im Sauerstoff-Injektionsschritt bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt werden.
  • Alternativ kann im Sauerstoff-Injektionsschritt die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt werden.
  • Das Gassensorelement kann außerdem eine Sauerstoff-Überwachungszelle umfassen, die zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist.
  • Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements angegeben, mit den Schritten (1) Vorbereiten einer Gassensorelement-Anordnung zur Herstellung eines Gassensorelements mit (a) einer Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, (b) einer Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und (c) einer Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist und von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet wird, (2) Einbrennen der Gassensorelement-Anordnung zur Fertigstellung des Gassensorelements, und (3) Aussetzen der in der Messgaskammer angeordneten ersten Sensorzellenelektrode einer Oxidationsatmosphäre in einem Temperaturbereich von 400°C bis 1000°C, nachdem der Einbrennvorgang der Gassensorelement-Anordnung erfolgt ist.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Aussetzungsschritt zyklisch durchgeführt und kann außerdem den Schritt des Aussetzens der ersten Sensorzellenelektrode einer Reduktionsatmosphäre in einem Temperaturbereich von 400°C bis 1000°C nach jedem Zyklus umfassen, bei dem die erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1(a) eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 1(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 1(a),
  • 2 eine auseinandergezogene Darstellung des Gassensorelements gemäß 1(a),
  • 3(a) Strom-Klemmenspannungskennlinien einer Sensorzelle,
  • 3(b) Strom-Klemmenspannungskennlinien einer Sensorzelle nach Beständigkeitstests,
  • 3(c) Strom-Klemmenspannungskennlinien einer durch einen Oxidationsvorgang gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung regenerierten Sensorzelle,
  • 4 Beziehungen zwischen dem Ausgangssignal der Sensorzelle eines Gassensorelements und der Konzentration von NOx vor und nach Beständigkeitstests und nachdem eine Sensorzellenelektrode einer Oxidation in Luft unterzogen worden ist,
  • 5 Beziehungen zwischen dem Ausgangssignal der Sensorzelle eines Gassensorelements und der Konzentration von NOx vor und nach Beständigkeitstests,
  • 6 ein Ablaufdiagramm eines zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit einer Sensorzelle auf NOx ausgeführten Programms,
  • 7 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung des zyklischen Anlegens einer Spannung an Pumpzellenelektroden zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer eines Gassensorelements,
  • 8 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung des zyklischen Anlegens einer Spannung an Sensorzellenelektroden zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer eines Gassensorelements,
  • 9(a) eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 9(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 9(a),
  • 10 eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 11 Beziehungen zwischen dem Ausgangssignal einer während der Herstellung oxidierten Sensorzelle eines Gassensorelements und der Konzentration von NOx vor und nach Beständigkeitstests, und
  • 12 eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements des Standes der Technik.
  • In den Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelemente bezeichnen, ist insbesondere in den 1(a), 1(b) und 2 ein Gassensorelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das in dem zylindrischen Gehäuse eines Gassensors angeordnet ist. Der Gassensor ist z.B. in der Wand eines Abgasrohrs einer Brennkraftmaschine zur Messung der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils wie der in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) zu deren Verwendung bei der Regelung von Verbrennungsvorgängen in der Brennkraftmaschine und/oder bei Katalysatorsystemen angeordnet. Der Gassensor weist in seinem oberen Abschnitt ein Schutzgehäuse auf, in dem das Gassensorelement 1 angeordnet und den Abgasen ausgesetzt ist. Ein gegenüber dem oberen Abschnitt angeordneter Basisbereich des Gassensors befindet sich außerhalb des Abgasrohrs der Brennkraftmaschine und ist der als Referenzgas dienenden Umgebungsluft ausgesetzt, die eine konstante Konzentration von Sauerstoff (O2) enthält.
  • Das Gassensorelement 1 umfasst eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 51, von der eine Sauerstoff-Pumpzelle 2 gebildet wird, eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 52, von der eine Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und eine Sensorzelle 4 gebildet wird, ein Distanzstück 61 zur Bildung einer Messgaskammer 7, Distanzstücke 62, 63 und 64 zur Bildung von Referenzgaskammern 81 und 82 sowie ein Heizelement 9. Das Heizelement 9, das Distanzstück 62, die Festelektrolytschicht 51, das Distanzstück 61, die Festelektrolytschicht 52 sowie die Distanzstücke 63 und 64 sind in dieser Reihenfolge in Form eines Laminats übereinander angeordnet.
  • Die Messgaskammer 7 bildet eine innere Kammer, in die zu messendes Gas (das nachstehend auch als Messgas bezeichnet ist) von einer Umgebungsatmosphäre eintritt, der der obere Bereich des Gassensors ausgesetzt ist. Die Messgaskammer 7 wird in der in 2 veranschaulichten Weise von Fenstern 61a und 61b gebildet, die in dem zwischen den Festelektrolytschichten 51 und 52 angeordneten Distanzstück 61 ausgebildet sind. Diese Fenster 61a und 61b stehen über eine Öffnung 61c miteinander in Verbindung und bilden eine erste Messgas-Unterkammer 7a und eine zweite Messgas-Unterkammer 7b.
  • Die erste Messgas-Unterkammer 7a ist stromauf der Messgasströmung (d.h., in der Figur links) angeordnet und steht mit dem Außenbereich des Gassensorelements 1 über ein in der Festelektrolytschicht 52 ausgebildetes Nadelloch 11 in Verbindung, welches in Bezug auf das durch das Nadelloch 11 strömende Messgas als Diffusionswiderstand wirkt. Die Abmessungen des Nadellochs 11 sind derart gewählt, dass die Diffusionsrate oder Diffusionsgeschwindigkeit des in die erste Messgas-Unterkammer 7a strömenden Messgases einen gewünschten Wert annimmt.
  • Die Festelektrolytschicht 52 ist teilweise mit einer Schutzschicht 12 aus einem porösen Aluminiumoxidmaterial versehen. Diese Schutzschicht 12 ist auch über der Einlassöffnung des Nadellochs 11 angeordnet und dient zur Verhinderung eines Zusetzens bzw. einer Verstopfung des Nadellochs 11 sowie einer Verschmutzung bzw. Vergiftung der der Messgaskammer 7 ausgesetzten Elektroden, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.
  • Den Referenzgaskammern 81 und 82 des Gassensorelements 1 wird Umgebungsluft als Referenzgas mit einer konstanten Konzentration von Sauerstoff (O2) zugeführt. Hierbei wird die Referenzgaskammer 81 von dem Fenster 62a gebildet, das in dem an der Unterseite der Festelektrolytschicht 51 in der in 2 veranschaulichten Weise angeordneten Distanzstück 62 ausgebildet ist, während die Referenzgaskammer 82 von dem Fenster 63a gebildet wird, das in dem an der Oberseite der Festelektrolytschicht 52 angeordneten Distanzstück 63 ausgebildet ist.
  • Die die Messgaskammer 7 und die Referenzgaskammern 81 und 82 bildenden Distanzstücke 61, 62, 63 und 64 bestehen jeweils aus einem Isoliermaterial, wie Aluminiumoxid, während die die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff- Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytschichten 51 und 52 jeweils aus einem Sauerstoffionen leitenden Elektrolytmaterial wie Zirkondioxid oder Cerdioxid bestehen.
  • Wie in den 1(a) und 1(b) veranschaulicht ist, besteht die Sauerstoff-Pumpzelle 2 aus der Festelektrolytschicht 51 sowie an den gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 51 angebrachten Pumpzellenelektroden 2a und 2b und dient zum Hineinpumpen von Sauerstoff in die Messgaskammer 7 oder zum Abpumpen von Sauerstoff aus der Messgaskammer 7, um die Konzentration von Sauerstoff in der Messgaskammer 7 auf einem konstanten Wert zu halten. Die Pumpzellenelektrode 2a ist hierbei der ersten Messgas-Unterkammer 7a ausgesetzt, in die das Nadelloch 11 hineinführt. Die Pumpzellenelektrode 2b ist dagegen der Referenzgaskammer 81 ausgesetzt.
  • Die Sensorzelle 4 besteht in der vorstehend beschriebenen Weise aus der Festelektrolytschicht 52 sowie an den gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebrachten Sensorzellenelektroden 4a und 4b und dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Funktion der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils (wie z.B. des in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs enthaltenen NOx). Hierbei ist die Sensorzellenelektrode 4a der stromab der ersten Messgas-Unterkammer 7a angeordneten zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzt, während die Sensorzellenelektrode 4b der Referenzgaskammer 82 ausgesetzt ist.
  • Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 besteht aus der Festelektrolytschicht 52 sowie an den gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebrachten Überwachungszellenelektroden 3a und 3b und dient zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 7 zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle 2. Hierbei ist die Überwachungszellenelektrode 3a der zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzt, während die Überwachungszellenelektrode 3b der Referenzgaskammer 82 ausgesetzt ist. Vorzugsweise sind die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b im wesentlichen in der gleichen Position wie die Sensorzellenelektroden 4a und 4b angeordnet, damit die Überwachungszellenelektrode 3a und die Sensorzellenelektrode 4a in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b im wesentlichen die gleiche Sauerstoffkonzentration erfassen.
  • Die Pumpzellenelektrode 2a der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und die Überwachungszellenelektrode 3a der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 bestehen jeweils aus einem Material, das in Bezug auf das im Messgas enthaltene NOx inert ist und somit zu keiner nennenswerten Aufspaltung von NOx führt. Hierbei bestehen die Pumpzellenelektrode 2a und die Überwachungszellenelektrode 3a jeweils aus einer porösen Cermet-Elektrode, die Pt und Au als metallische Hauptbestandteile enthält. Vorzugsweise liegt der Anteil von Au in den metallischen Bestandteilen zwischen 1 bis 10 Gewichtsprozenten. Die poröse Cermet-Elektrode kann erhalten werden, indem ein Gemisch oder ein Brei, der ein Metalllegierungspulver und ein Keramikmaterial wie Zirkondioxid oder Aluminiumoxid enthält, hergestellt und einem Einbrennvorgang bzw. einer Ofentrocknung unterzogen wird.
  • Die Sensorzellenelektrode 4a wird von einer porösen Cermet-Elektrode gebildet, die z.B. Pt und Rh enthält und in Bezug auf eine Dissoziation oder Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Die metallischen Bestandteile der Cermet-Elektrode umfassen vorzugsweise 10 bis 50 Gewichtsprozente Rh. Die Pumpzellenelektrode 2b, die Überwachungszellenelektrode 3b und die Sensorzellenelektrode 4b werden jeweils von einer porösen Cermet-Elektrode gebildet, die Pt enthält.
  • Wie in 2 veranschaulicht ist, sind die Pumpzellenelektroden 2a und 2b, die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b und die Sensorzellenelektroden 4a und 4b fest mit jeweiligen Signalaufnahmeleitungen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d verbunden. Diejenigen Oberflächenbereiche der Festelektrolytschichten 51 und 52, die nicht von den Pumpzellenelektroden 2a und 2b, den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b sowie den Sensorzellenelektroden 4a und 4b in Anspruch genommen werden, können mit Isolierschichten aus z.B. Aluminiumoxid überzogen sein. Vorzugsweise sind diese Isolierschichten zumindest zwischen den Oberflächenbereichen der Festelektrolytschicht 52 und den Leitungen 3c, 4c, 3d und 4d sowie zwischen den Oberflächenbereichen der Festelektrolytschicht 51 und den Leitungen 2c und 2d angeordnet.
  • Das Heizelement 9 wird von einer laminierten Schichtanordnung eines Heizelementblattes 13 aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid und einer aus Aluminiumoxid bestehenden isolierenden Deckschicht gebildet. Auf der der isolierenden Deckschicht 15 gegenüberliegenden Oberfläche des Heizelementblattes 13 ist eine Heizelektrode 14 angeordnet, die von einer aus Pt und einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid bestehenden Cermet-Elektrode gebildet wird. Das Heizelement 9 wird von einer außerhalb des Gassensorelements 1 angeordneten (nicht dargestellten) Sensor-Steuereinheit mit elektrischem Strom versorgt und erwärmt die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 auf eine Aktivierungstemperatur, die für eine ausreichende Aktivierung der Zellen 2, 3 und 4 erforderlich ist.
  • Die Heizelektrode ist in der in 2 veranschaulichten Weise über in dem Heizelementblatt 13 ausgebildete, mit leitendem Material beschichtete Durchgangslöcher SH mit Außenanschlüssen P (d.h., mit Kontaktelektroden) elektrisch verbunden. Die Pumpzellenelektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 sind über die Leitungen 2c und 2d sowie über mit leitendem Material beschichtete Durchgangslöcher SH in dem Distanzstück 62, der Deckschicht 15 und dem Heizelementblatt 13 elektrisch mit Außenanschlüssen P verbunden. Die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b sind mit Außenanschlüssen P über die Leitungen 3c und 3d sowie über mit leitendem Material beschichtete Durchgangslöcher SH in der Festelektrolytschicht 52 und den Distanzstücken 63 und 64 sowie außerdem mit einem an der Festelektrolytschicht 52 ausgebildeten inneren Anschluss 120 elektrisch verbunden. Die Sensorzellenelektroden 4a und 4b sind mit Außenanschlüssen P über die Leitungen 4c und 4d und über mit leitendem Material beschichtete Durchgangslöcher SH in der Festelektrolytschicht 52 und den Distanzstücken 63 und 64 sowie außerdem mit einem an der Festelektrolytschicht 52 ausgebildeten inneren Anschluss 120 verbunden. Die Außenanschlüsse P sind über (nicht dargestellte) Verbindungselemente bzw. Steckverbindungen mit (nicht dargestellten) Leitungen elektrisch verbunden, die an die Verbindungselemente durch Crimp- oder Quetschverbindungen oder durch Hartlöten angeschlossen sind, wodurch jeweilige elektrische Verbindungen zwischen einer Pumpschaltung, einer Überwachungsschaltung, einer Sensorschaltung sowie einer Heizelement-Stromversorgungsschaltung (nicht dargestellt) und der Sauerstoff-Pumpzelle 2, der Sauerstoff-Überwachungszelle 3, der Sensorzelle 4 und dem Heizelement 9 hergestellt werden.
  • Das Gassensorelement 1 wird unter Verwendung der nachstehend näher beschriebenen Schritte hergestellt.
  • Zunächst werden Zirkondioxid-Grünblätter zur Herstellung der Festelektrolytschichten 51 und 52 sowie Aluminiumoxid-Grünblätter zur Herstellung der Distanzstücke 61, 62, 63 und 64, des Heizelementblatts 13 und der Deckschicht 15 unter Verwendung eines Streichmessers bzw. Rakels oder durch ein Spritz- oder Stranggussverfahren hergestellt. Sodann werden auf den Grünblättern die Pumpzellenelektroden 2a und 2b, die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b, die Sensorzellenelektroden 4a und 4b, die Leitungen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d, die inneren Anschlüsse 120 sowie die Außenanschlüsse P unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens ausgebildet. Schließlich werden die Grünblätter übereinander in Form eines Laminats angeordnet, das dann zur Fertigstellung des Gassensorelements 1 einem Einbrennvorgang (Ofentrocknung) unterzogen wird.
  • Nachstehend wird auf Betrieb und Wirkungsweise des Gassensorelements 1 näher eingegangen.
  • Bei dem Gassensorelement 1 gemäß 1 treten die Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch die poröse Schutzschicht 12 und das Nadelloch 11 hindurch und gelangen in die erste Messgas-Unterkammer 7a. Die Menge des in die erste Messgas-Unterkammer 7a strömenden Gases hängt hierbei von den Diffusionswiderstandswerten der Schutzschicht 12 und des Nadellochs 11 ab. Das in die erste Messgas-Unterkammer 7a eintretende Gas gelangt dann über die Öffnung 61c in die zweite Messgas-Unterkammer 7b.
  • Die Pumpschaltung dient dazu, mittels einer variablen bzw. einstellbaren Strom- oder Spannungsquelle 70 eine derartige Spannung an die Pumpzellenelektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 anzulegen, dass die der Referenzgaskammer 81 ausgesetzte Pumpzellenelektrode 2b an höherem Potential liegt. Dies führt zu einer Reduktion des Sauerstoffs im Gas durch die der ersten Messgas-Unterkammer 7a ausgesetzte Pumpzellenelektrode 2a und damit zur Erzeugung von Sauerstoffionen, die zu der Pumpzellenelektrode 2b gepumpt werden. Wenn dagegen von der Pumpschaltung an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 eine derartige Spannung angelegt wird, dass die Pumpzellenelektrode 2a sich auf höherem Potential befindet, führt dies zu einer Reduktion des Sauerstoffs in der in der Referenzgaskammer 81 befindlichen Luft durch die Pumpzellenelektrode 2b und damit zur Erzeugung von Sauerstoffionen, die wiederum zu der Pumpzellenelektrode 2a gepumpt werden. Die Pumpschaltung steuert somit das Anlegen der Spannung an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 zur Regelung der Konzentration von Sauerstoff in der Messgaskammer 7.
  • Die Überwachungsschaltung dient dazu, über eine Strom- oder Spannungsquelle 80 eine Konstantspannung (von z.B. 0,40 V) an die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 derart anzulegen, dass die der Referenzgaskammer 82 ausgesetzte Überwachungszellenelektrode 3b an höherem Potential liegt. Dies führt zu einer Reduktion des Sauerstoffs in dem in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b befindlichen Gas durch die in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b angeordnete Überwachungszellenelektrode 3a und damit zur Bildung von Sauerstoffionen, die zu der Überwachungszellenelektrode 3b gepumpt werden. Wie vorstehend beschrieben, wird die Überwachungszellenelektrode 3a von einer Pt-Au-Cermet-Elektrode gebildet, bei der keine nennenswerte Aufspaltung von NOx erfolgt. Auf diese Weise fließt ein Sauerstoffionenstrom zwischen den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b als Funktion der Konzentration von Sauerstoff in dem von der ersten Messgas-Unterkammer 7a in die zweite Messgas-Unterkammer 7b strömenden und die Überwachungszellenelektrode 3a erreichenden Gas. Die Einregelung und Aufrechterhaltung eines konstanten Konzentrationswertes des in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b befindlichen Sauerstoffs wird somit durch Messung des zwischen den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b fließenden Stroms unter Verwendung eines Amperemeters 85 und derartige Regelung der an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegten Spannung erzielt, dass der von dem Amperemeter 85 gemessene Strom auf einem konstanten Wert von z.B. 0,2 μA gehalten wird.
  • Die Sensorschaltung dient dazu, mit Hilfe einer Strom- oder Spannungsquelle 90 eine Konstantspannung (von z.B. 0,40 V) derart an die Sensorzelle 4 anzulegen, dass die der Referenzgaskammer 82 ausgesetzte Sensorzellenelektrode 4b auf höherem Potential liegt. Wie vorstehend beschrieben, wird die Sensorzellenelektrode 4a von einer Pt-Rh-Cermet-Elektrode gebildet, die in Bezug auf eine Dissoziation oder Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. In der zweiten Messgas-Unterkammer 7b werden somit NOx und Sauerstoff (O2) von der Sensorzellenelektrode 4a unter Bildung von Sauerstoffionen reduziert, die zu der Sensorzellenelektrode 4b gepumpt werden.
  • Die Pumpschaltung und die Überwachungsschaltung dienen somit in der vorstehend beschriebenen Weise zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Konzentrationswertes des Sauerstoffs in der ersten Messgas-Unterkammer 7a und der zweiten Messgas-Unterkammer 7b, wodurch bewirkt wird, dass ein Sauerstoffionenstrom über die Sensorzelle 4 als Funktion der im Messgas enthaltenen NOx-Konzentration fließt. Die Bestimmung der NOx-Konzentration kann somit durch Messung des über die Sensorzelle 4 fließenden Stroms unter Verwendung eines Amperemeters 95 der Sensorschaltung erfolgen.
  • 3(a) zeigt Strom-Klemmenspannungskennlinien der Sensorzelle 4, die in Gasen erhalten wurden, die ein Gasgemisch mit einem Anteil von 1000 ppm bzw. 500 ppm NO-Gas, 100 ppm O2-Gas und einem N2-Ausgleichsgas darstellten, wobei an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 eine Spannung von 0,3 V derart angelegt war, dass die Pumpzellenelektrode 2b den positiven Anschluss darstellte, und wobei sich die Überwachungszelle 3 in einem Ruhezustand befand (bei dem der Überwachungszellenstrom den Wert Null hatte). Die Kennlinien gemäß 3(a) zeigen, dass ein durch Aufspaltung von NOx entstehender Sauerstoffionenstrom über die Sensorzelle fließt, und dass die Strom-Klemmenspannungskennlinie der Sensorzelle 4 einen Grenzstrombereich aufweist, in dem ein Sättigungsstrom (der nachstehend auch als Grenzstrom bezeichnet ist) als Funktion der Konzentration von NOx erzeugt wird. Die Bestimmung der Konzentration von NOx wird somit vorgenommen, indem eine die Bildung des Grenzstroms in der Sensorzelle 4 herbeiführende Spannung (bei diesem Ausführungsbeispiel 0,4 V) an die Sensorzelle 4 angelegt und sodann der Betrag des tatsächlich über die Sensorzelle 4 fließenden Grenzstroms gemessen wird.
  • Bei einem Beständigkeitstest, bei dem das Gassensorelement 1 in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingebaut war und die Brennkraftmaschine bzw. das Kraftfahrzeug über eine Strecke von 100 000 km betrieben wurde, ergab sich jedoch, dass sich die Strom-Klemmenspannungskennlinie der Sensorzelle 4 nach dem Test verändert hatte. 3(b) zeigt die nach diesem Beständigkeitstest erhaltenen Strom-Klemmenspannungskennlinien der Sensorzelle 4. Ein Vergleich der Kennlinien gemäß den 3(a) und 3(b) ergibt, dass sich der Widerstandswert der Sensorzelle 4 in einem Stromanstiegsbereich unterhalb der für den Grenzstrombereich erforderlichen Klemmenspannung der Sensorzelle 4 erhöht hat, sodass das NOx-Aufspaltungsvermögen der Sensorzellenelektrode 4a abgenommen hat und somit eine höhere Spannung als die Sensorzellen-Betriebsspannung (d.h., 0,4 V) zur Bildung des Grenzstroms erforderlich ist, wodurch sich die Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4 auf NOx in der in 4 veranschaulichten Weise verringert. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal des Gassensorelements 1 und der gemessenen NOx-Konzentration bei Gasen, die ein Gasgemisch mit Anteilen von 0 bis 1000 ppm NO-Gas, 5% O2-Gas und einem N2-Ausgleichsgas darstellen.
  • Weiterhin ergab sich bei einem im Rahmen der Erfindung durchgeführten Sensorempfindlichkeits-Regenerierungstest, dass eine Wiederherstellung des NOx-Aufspaltungsvermögens der Sensorzellenelektrode 4a erzielbar ist, wenn das Gassensorelement 1 nach dem Beständigkeitstest Luft ausgesetzt wird, wobei lediglich das Heizelement 9 aktiviert ist, während die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 sich sämtlich im Ruhezustand befinden, sodass in den Zellen 2, 3 und 4 keine Ströme erzeugt werden. 3(c) zeigt Strom-Klemmenspannungskennlinien der Sensorzelle 4 nach einer Regenerierung, bei der das Gassensorelement 1 nach dem vorstehend beschriebenen 100 000 km-Beständigkeitstest für eine Dauer von 10 min Luft ausgesetzt war. Nachdem das Gassensorelement 1 Luft ausgesetzt, d.h., einer Oxidation in Luft unterzogen worden ist, wird ein Ausgangssignal des Gassensorelements 1 erhalten, wie es in 4 durch das Symbol "Δ" gekennzeichnet ist. Die Kennlinien gemäß 4 zeigen, dass die Abhängigkeit des Sensorausgangssignals von der NOx-Konzentration bei dem Gassensorelement 1 nach der Oxidation in Luft weitgehend derjenigen vor der Durchführung des Beständigkeitstests entspricht.
  • Die vorstehend beschriebene Verringerung der Leistungsfähigkeit der Sensorzelle 4 wird einer Abnahme des Bereichs der Außenfläche der Sensorzellenelektrode 4a zugeschrieben, die durch Agglomeration (Sinterung) ihrer metallischen Bestandteile hervorgerufen wird, während ihre Regenerierung einer Vergrößerung des Bereiches der Außenfläche der Sensorzellenelektrode 4a auf Grund der in Luft erfolgenden Oxidation zugeschrieben wird. Während der Beständigkeitstests des Gassensorelements 1 wird nämlich die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b auf einem niedrigen Wert gehalten, was dazu führt, dass eine allmähliche Agglomeration (Sinterung) der metallischen Bestandteile der Sensorzellenelektrode 4a auftritt, sodass sich der Bereich der Außenfläche der Sensorzellenelektrode 4a verkleinert. Dies hat wiederum ein verringertes NOx-Aufspaltungsvermögen der Sensorzellenelektrode 4a zur Folge. Wenn die Sensorzellenelektrode 4a der Sensorzelle 4 mit ihrem verringerten NOx-Aufspaltungsvermögen einer sauerstoffreichen Atmosphäre ausgesetzt wird, bei der die Sauerstoffkonzentration im Bereich der Sensorzellenelektrode 4a vorzugsweise 1% oder mehr beträgt, hat dies eine Umsetzung des in der Sensorzellenelektrode 4a enthaltenen Rh in Rhodiumoxid (Rh2O3) zur Folge, wodurch sich das Volumen der Sensorzellenelektrode 4a vergrößert und hierdurch die agglomerationsbedingte Verringerung des Bereichs der Sensorzellenelektrode 4a aufgehoben bzw. rückgängig gemacht wird. Auf diese Weise wird das NOx- Aufspaltungsvermögen der Sensorzellenelektrode 4a wieder hergestellt. Die gewünschte Regenerierung lässt sich erzielen, indem zumindest 1% der in der Sensorzellenelektrode 4a enthaltenen Rh-Atome oxidiert wird. Ein Überschuss an Rhodiumoxid (Rh2O3) in Bezug auf die Rh-Atome führt jedoch zu einem verringerten NOx-Aufspaltungsvermögen der Sensorzellenelektrode 4a. Vorzugsweise wird daher der Anteil von Rh-Atomen in der Sensorzellenelektrode 4a, der durch die in Luft erfolgende Oxidation in Rhodiumoxid umgesetzt wird, auf 5% oder weniger gehalten.
  • Die Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a wird in der in den 1(a) und 1(b) veranschaulichten Weise unter Verwendung einer Steuerschaltung 150 erzielt, die zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle 2, der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und der Sensorzelle 4 dient. Wenn die NOx-Konzentration in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bestimmt werden soll, überwacht die Steuerschaltung 150 das Ausgangssignal der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 zur Steuerung der an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegten Spannung dahingehend, dass die Konzentration von Sauerstoff (O2) in der Messgaskammer 7 auf einem niedrigeren Wert gehalten wird. Wenn keine Bestimmung der NOx-Konzentration erfolgen soll, führt die Steuerschaltung 150 der Messgaskammer 7 Sauerstoffgas zur Wiederherstellung des NOx-Aufspaltungsvermögens der Sensorzellenelektrode 4a zu. Hierbei unterzieht die Steuerschaltung 150 die Sensorzellenelektrode 4a einer Oxidation z.B. unmittelbar nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine oder in regelmäßigen Zeitintervallen oder nach einer vorgegebenen Fahrtstrecke des Fahrzeugs, wenn eine Messung der Konzentration von NOx nicht erforderlich ist.
  • Die Steuerschaltung 150 kann hierbei die Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a in zwei Betriebsarten herbeiführen, die nachstehend näher beschrieben werden. Die erste Betriebsart besteht in der Deaktivierung der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und/oder der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und/oder der Sensorzelle 4, wenn viel Sauerstoff bzw. ein sauerstoffreiches Gas im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorhanden ist. Wenn sich z.B. die Brennkraftmaschine im Stillstand befindet oder das Abgas der Brennkraftmaschine einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch entspricht, nimmt die Steuerschaltung 150 eine Injektion von sauerstoffangereichertem Gas in die Messgaskammer 7 vor, um die Sensorzellenelektrode 4a diesem Gas auszusetzen. Während der ersten Betriebsart ist es zwar erwünscht, die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 sämtlich zu deaktivieren, jedoch kann auch nur zumindest eine der Zellen außer Betrieb gesetzt werden, solange das Gassensorelement 1 in einen Betriebszustand versetzt wird, bei dem sich eine bestimmte Sauerstoffmenge in der Messgaskammer 7 befindet. Vorzugsweise wird hierbei das Heizelement 9 zum Anheben der Temperatur des Gassensorelements 1 (d.h., der Temperatur der Sensorzellenelektrode 4a) auf eine im Bereich von 400°C bis 1000°C, vorzugsweise 600°C bis 800°C, liegende Temperatur aktiviert, um auf diese Weise die Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a zu erleichtern.
  • In 5 ist das Ergebnis eines Beständigkeitstests veranschaulicht, bei dem die Brennkraftmaschine nach jeweils 10 Stunden abgestellt und die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 sämtlich außer Betrieb gesetzt wurden, während das Heizelement 9 nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine für 5 min zur Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a eingeschaltet wurde, woraufhin die Brennkraftmaschine erneut gestartet und für eine Gesamtstrecke von 100 000 km in Betrieb gehalten wurde. Die Figur zeigt, dass nach dem Beständigkeitstest die Ansprechempfindlichkeit des Gassensorelements 1 auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die erforderliche Zeitdauer, während der die Sensorzellenelektrode 4a zur Wiederherstellung ihrer Ansprechempfindlichkeit der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt ist, nicht auf die bei diesem Ausführungsbeispiel in Betracht gezogenen 5 min beschränkt ist.
  • Die Steuerschaltung 150 kann von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) gebildet werden, die einen Mikrocomputer aufweist. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm von logischen Schritten bzw. eines Programms, das von der Steuerschaltung 150 zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit des Gassensorelements 1 ausgeführt wird.
  • Zunächst wird in einem Schritt 101 ermittelt, ob ein Zündschalter des Fahrzeugs abgeschaltet ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, was beinhaltet, dass der Zündschalter abgeschaltet ist, geht der Ablauf auf einen Schritt 102 über, bei dem bestimmt wird, ob ein EIN-AUS-Schaltvorgang des Zündschalters soeben abgeschlossen worden ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 103 über, bei dem ein eingebauter Zeitgeber angesteuert wird und eine Hochzählung für 5 min vornimmt. Der Ablauf geht dann auf einen Schritt 104 über, bei dem ermittelt wird, ob nach der Ansteuerung des Zeitgebers 5 min abgelaufen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis NEIN erhalten wird, was beinhaltet, dass 5 min noch nicht vergangen sind, geht der Ablauf auf einen Schritt 105 über, bei dem die an die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 angelegte Spannung abgeschaltet wird, während das Heizelement 9 eingeschaltet bleibt. Der Ablauf kehrt sodann zum Schritt 101 zurück.
  • Wenn dagegen im Schritt 104 das Ergebnis JA erhalten wird, was beinhaltet, dass 5 min vergangen sind, geht der Ablauf auf einen Schritt 106 über, bei dem die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3, die Sensorzelle 4 und das Heizelement 9 sämtlich abgeschaltet werden, um die Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a zu beenden.
  • Wird im Schritt 101 das Ergebnis NEIN erhalten, was beinhaltet, dass der Zündschalter sich im Einschaltzustand befindet, geht der Ablauf auf einen Schritt 107 über, bei dem die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3, die Sensorzelle 4 und das Heizelement 9 eingeschaltet werden, um die Messung der Konzentration von NOx zu beginnen.
  • Die zweite Betriebsart der Steuerschaltung 150 besteht in der Aktivierung der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und/oder der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und/oder der Sensorzelle 4 zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer 7. Hierbei wird eine Spannung z.B. an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 derart angelegt, dass die in der ersten Messgas-Unterkammer 7a angeordnete Pumpzellenelektrode 2a als positive (+) Elektrode dient. Hierdurch wird Sauerstoff (O2) aus der Referenzgaskammer 81 in die erste Messgas-Unterkammer 7a gepumpt, um die Sensorzellenelektrode 4a einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen. Vorzugsweise wird das Heizelement 9 in der zweiten Betriebsart eingeschaltet.
  • Zur Bestätigung der vorteilhaften Wirkung der zweiten Betriebsart wurde ebenfalls ein 100 000 km-Beständigkeitstest wie der vorstehend beschriebene Test durchgeführt. Während dieses Beständigkeitstests wurde das Gassensorelement 1 im aktivierten Zustand gehalten. An die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wurde eine Spannung von 0,5 V derart angelegt, dass die in der ersten Messgas-Unterkammer 7a angeordnete Pumpzellenelektrode 2a nach jeweils 1 Stunde für 1 min zum Pumpen von Sauerstoff in die erste Messgas-Unterkammer 7a auf hohem Potential gehalten wurde. Das Ergebnis dieses Beständigkeitstests war im wesentlichen identisch mit dem Ergebnis des im Rahmen der vorstehend beschriebenen ersten Betriebsart durchgeführten Beständigkeitstests. 7 zeigt zeitabhängige Signalverläufe, die die zweite Betriebsart der Steuerschaltung 150 veranschaulichen, bei der das Potential an den Pumpzellenelektroden 2a und 2b nach jeweils 1 Stunde für 1 min umgekehrt wird. Diese Spannungssteuerung lässt sich unter Verwendung eines Ereigniszeitgebers in der Steuerschaltung 150 durchführen.
  • Außerdem wurde ein weiterer 100 000 km-Beständigkeitstest wie der vorstehend beschriebene zur Bestätigung der vorteilhaften Wirkung der zweiten Betriebsart durchgeführt. Auch bei diesem Beständigkeitstest wurde das Gassensorelement 1 im aktivierten Zustand gehalten. An die Sensorzelle 4 wurde eine Spannung von 0,5 V derart angelegt, dass die in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b angeordnete Sensorzellenelektrode 4a nach jeweils 1 Stunde für 1 min auf hohem Potential gehalten wurde, um Sauerstoff in die zweite Messgas-Unterkammer 7b zu pumpen. Bei diesem Oxidationsverfahren ergab sich im wesentlichen die gleiche vorteilhafte Wirkung wie bei dem im Rahmen der ersten Betriebsart der Steuerschaltung 150 durchgeführten Oxidationsverfahren. 8 zeigt zeitabhängige Signalverläufe, die die von der Steuerschaltung 150 durchgeführte Steuerung der an die Sensorzellenelektroden 4a und 4b angelegten Spannung veranschaulichen.
  • In den 9(a) und 9(b) ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, bei dem das Gassensorelement 1 bei einem Grenzstrom-Regelsystem Verwendung findet, das aus einer Pumpschaltung mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 70, einer Überwachungsschaltung mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 80 und einem Amperemeter 85, einer Sensorschaltung mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 90 und einem Amperemeter 95 sowie aus einer Stromdifferenz-Messschaltung 49 besteht.
  • Die Pumpschaltung ist zur Abfrage eines in ihr gespeicherten und die Beziehung zwischen an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegten Spannungen und den sich hierbei ergebenden Strömen durch die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wiedergebenden Kennfeldes ausgestaltet, um auf diese Weise eine an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 anzulegende Sollspannung zu bestimmen, die die Erzeugung eines Grenzstroms zwischen den Pumpzellenelektroden 2a und 2b zur Folge hat. Auf diese Weise hält die Pumpschaltung die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgas-Unterkammer 7a auf einem gegebenen niedrigeren Wert. Dies führt jedoch zu einer Instabilität der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Pumpschaltung die an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 anzulegende Spannung als Funktion des Ausgangssignals der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 bestimmt, was eine geringere Messgenauigkeit bei der Bestimmung der NOx-Konzentration unter Verwendung des zwischen den Sensorzellenelektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 auftretenden Stroms zur Folge hat.
  • Zur Vermeidung dieses Nachteils wird von der Stromdifferenz-Messschaltung 49 die Differenz zwischen dem zwischen den Sensorzellenelektroden 4a und 4b fließenden Strom und dem zwischen den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b fließenden Strom zur Ermittlung der NOx-Konzentration als Funktion dieser Differenz bestimmt. Auf diese Weise kann das Gassensorelement 1 ein Ausgangssignal erzeugen, das die NOx-Konzentration unabhängig von Änderungen der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b angibt.
  • Obwohl dies in der Zeichnung nicht im einzelnen veranschaulicht ist, dient die Steuerschaltung 150 zur Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a zur Wiederherstellung der NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4. Die weiteren Merkmale entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass sich ihre erneute Beschreibung erübrigt.
  • 10 zeigt ein Gassensorelement 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine der zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzte zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 und besitzt nicht die bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1(a) und 1(b) vorgesehene Referenzgaskammer 82.
  • Bei diesem Gassensorelement 1 findet ein EMK- bzw. Quellenspannungs-Regelsystem Verwendung, das aus einer Pumpschaltung mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 70, einer Überwachungsschaltung mit einem Spannungsdetektor 360, einer Sensorschaltung mit einer Strom- oder Spannungsquelle 90 und einem Amperemeter 95 sowie aus einer zweiten Pumpschaltung mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 98 besteht. Dieses EMK- oder Quellenspannungs-Regelsystem dient zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgas-Unterkammer 7a als Funktion einer in der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 erzeugten EMK bzw.
  • Quellenspannung und zur Steuerung bzw. Regelung der an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 anzulegenden Spannung.
  • Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 umfasst hierbei die Pumpzellenelektroden 2a und 2b, die an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebracht sind. Die Pumpzellenelektrode 2a ist der ersten Messgas-Unterkammer 7a ausgesetzt, während die Pumpzellenelektrode 2b dem im Außenbereich des Gassensorelements 1 vorüberströmenden Messgas ausgesetzt ist. Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 umfasst die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b, die an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 51 angebracht sind. Die Überwachungszellenelektrode 3a ist hierbei der ersten Messgas-Unterkammer 7a ausgesetzt, während die Überwachungszellenelektrode 3b der Referenzgaskammer 81 ausgesetzt ist. Die Sensorzelle 4 umfasst die Sensorzellenelektroden 4a und 4b, die an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 51 angebracht sind. Die Sensorzellenelektrode 4a ist hierbei der zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzt, während die Sensorzellenelektrode 4b von einer auch der der Referenzgaskammer 81 ausgesetzten Überwachungszellenelektrode 3b zugeordneten gemeinsamen Elektrode gebildet wird.
  • Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 wird von der Festelektrolytschicht 52, einer Elektrode 20a und der auch der Sauerstoff-Pumpzelle 2 zugeordneten Elektrode 2b gebildet. Hierbei ist die Elektrode 20a an der Oberfläche der der zweiten Messgas-Unterkammer 7b ausgesetzten Festelektrolytschicht 52 angebracht. Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 dient zum Abpumpen des in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b verbleibenden Restsauerstoffs in den Außenbereich des Gassensorelements 1, sodass die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b annähernd auf den Wert Null (0) verringert werden kann. Ruf diese Weise kann die Sensorzelle 4 die NOx-Konzentration in der zweiten Messgas-Unterkammer 7b mit hoher Genauigkeit messen.
  • Im Betrieb des Gassensorelements 1 wird eine durch die Nernst'sche Gleichung gegebene EMK bzw. Quellenspannung zwischen den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b als Funktion der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der ersten Messgas-Unterkammer 7a und der Referenzgaskammer 81 erzeugt und von dem Spannungsdetektor 360 gemessen. Die Referenzgaskammer 81 ist mit Luft gefüllt, die eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweist, sodass an den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b die EMK bzw. Quellenspannung als Funktion der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgas-Unterkammer 7a gebildet wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem in die zweite Messgas-Unterkammer 7b strömenden Gas wird daher auf einem konstanten niedrigeren Wert gehalten, indem die an die Pumpzellenelektroden 2a und 2b angelegte Spannung derart gesteuert wird, dass die zwischen den Überwachungszellenelektroden 3a und 3b erzeugte EMK bzw. Quellenspannung einen konstanten Wert von z.B. 0,20 V annimmt.
  • Obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, dient die Steuerschaltung 150 zur Oxidation der Sensorzellenelektrode 4a zur Wiederherstellung der NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4. Die anderen Merkmale entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass sich ihre erneute Beschreibung erübrigt.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Oxidationsverfahren zur Wiederherstellung der nach einer längeren Verwendung eines im Rahmen eines typischen Herstellungsverfahrens hergestellten Gassensorelements 1 verringerten NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4, jedoch kann alternativ auch das Herstellungsverfahren in der nachstehend näher beschriebenen Weise dahingehend ausgestaltet werden, dass die Abnahme der NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4 minimal gehalten wird.
  • Die Herstellung des Gassensorelements 1 erfolgt hierbei in den nachstehend näher beschriebenen Schritten.
  • Zunächst werden Zirkondioxid-Grünblätter zur Bildung der Festelektrolytschichten 51 und 52 sowie Aluminiumoxid-Grünblätter zur Bildung der Distanzstücke 61 und 62, des Heizelementblatts 13 und der Deckschicht 15 durch ein Spritz- oder Stranggussverfahren oder unter Verwendung eines Streichmessers bzw. Rakels hergestellt. Sodann werden auf den Grünblättern die Pumpzellenelektroden 2a, 2b und 20a, die Überwachungszellenelektroden 3a und 3b, die Sensorzellenelektroden 4a und 4b, die Leitungen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d sowie die inneren Anschlüsse 120 (siehe 2) und die äußeren Anschlüsse P unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens ausgebildet. Die Grünblätter werden zur Bildung eines Laminats übereinander angeordnet, das dann in Luft einem Einbrennvorgang (Ofentrocknung) unterzogen wird. Diese Schritte entsprechen den vorstehend in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bereits beschriebenen Schritten. Schließlich wird das eingebrannte Laminat bei hohen Temperaturen einer Oxidationsatmosphäre ausgesetzt. Der Temperaturbereich liegt hierbei vorzugsweise zwischen 400°C und 1000°C, wobei ein Temperaturbereich zwischen 600°C und 900°C bevorzugt wird. Eine über 1000°C liegende Temperatur bewirkt, dass Rhodium (Rh) stabiler als Rhodiumoxid (Rh2O3) wird, sodass die Bildung einer gewünschten Niederschlagsmenge an Rhodiumoxid mit Schwierigkeiten verbunden ist. Eine unter 400°C liegende Temperatur hat dagegen zur Folge, dass die Niederschlagsrate von Rhodiumoxid in unerwünschter Weise abnimmt. Die Oxidationsatmosphäre umfasst vorzugsweise zumindest 1% Sauerstoff, während die Oxidationszeit vorzugsweise mehr als 1 Stunde beträgt.
  • Wenn das eingebrannte Laminat der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird, führt dies zu einem allmählichen Niederschlag des in der Pt-Rh-Sensorzellenelektrode 4a enthaltenen Rhodiums (Rh) in Form von Rhodiumoxid (Rh2O3) an der Elektrodenoberfläche, sodass sich an der Oberfläche der Sensorzellenelektrode 4a die Konzentration von Rh vergrößert, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Außerdem ist das ausgefällte bzw. niedergeschlagene Rh noch nicht durch inerte Bestandteile wie Au verunreinigt, die von der Pumpzellenelektrode 2a während eines Einbrennvorgangs bei der Herstellung des Gassensorelements 1 normalerweise verstreut werden, sodass die NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4 gewährleistet ist.
  • In 11 ist das Ergebnis eines 100 000 km-Beständigkeitstests veranschaulicht, bei dem ein unter Oxidation des eingebrannten Laminats in Luft für 10 Stunden bei 900°C hergestelltes Gassensorelement 1 im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet und die Brennkraftmaschine bzw. das Kraftfahrzeug sodann über 100 000 km betrieben worden waren. Der Figur ist zu entnehmen, dass die NOx-Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle 4 auch nach dem Beständigkeitstest weitgehend konstant geblieben war. Außerdem konnte festgestellt werden, dass bei einem Gassensorelement 1, bei dessen Herstellung nach dem Einbrennvorgang eine Oxidationsbehandlung erfolgt, die NOx-Ansprechempfindlichkeit für eine längere Zeitdauer auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann, sodass die in Verbindung mit dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel vorstehend beschriebene Regenerierungsregelung nicht erforderlich ist.
  • Indem die Sensorzelle 4 in der vorstehend beschriebenen Weise einer Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird, wird somit bewirkt, dass sich in der Pt-Rh-Sensorzellenelektrode 4a enthaltenes Rhodium Rh niederschlägt und allmählich als Rhodiumoxid (Rh2O3) an der Elektrodenoberfläche auftritt, was wiederum dazu führt, dass eine stärkere Konzentration von Rh an der Oberfläche der Sensorzellenelektrode 4a vorhanden ist. Der Anstieg der die Oberfläche der Sensorzellenelektrode 4a bedeckenden Menge an Rhodiumoxid führt jedoch zu einer verringerten Niederschlagsrate von Rh. Zur Vermeidung dieses Problems kann das Gassensorelement 1 abwechselnd einer Oxidationsatmosphäre und einer Reduktionsatmosphäre ausgesetzt werden. Nachdem es der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt war, wird hierbei das Gassensorelement 1 auch einer Reduktionsatmosphäre zur Reduzierung des an der Oberfläche der Sensorzellenelektrode 4a auftretenden Rh2O3 zu metallischem Rh ausgesetzt, woraufhin es wieder zur Steigerung des Niederschlags von Rh der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird. Diese Reduktion von Rh2O3 zu Rh lässt sich erzielen, indem die Sensorzellenelektrode 4a einem leicht entzündlichen bzw. entflammbaren Gas wie H2-Gas ausgesetzt oder an die Sensorzelle 4 eine Spannung derart angelegt wird, dass die Sensorzellenelektrode 4a an niedrigem Potential liegt.
  • Die vorstehend beschriebenen Herstellungsvorgänge können auch zur Herstellung des Gassensorelements 1 gemäß 1 dienen.
  • Das vorstehend beschriebene Gassensorelement besitzt somit eine Sensorzelle, die aus einem Festelektrolytkörper und zwei, an dem Festelektrolytkörper angebrachten Elektroden besteht. Eine dieser Elektroden ist einem Gasbestandteil, wie dem in den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenen NOx ausgesetzt und spricht darauf zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration dieses Gasbestandteils an. Das Gassensorelement ist mit einer Empfindlichkeits-Regenerierungsschaltung versehen, die dazu dient, diese Elektrode der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen und auf diese Weise die Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle wieder herzustellen. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements angegeben, das die Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle für eine längere Zeitdauer gewährleistet.

Claims (18)

  1. Gassensorelement, gekennzeichnet durch eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, eine Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und eine Steuerschaltung, die den Betrieb der Sauerstoff-Pumpzelle zur Aufrechterhaltung eines gegebenen niedrigen Konzentrationswertes des Sauerstoffs in der ersten Messgaskammer während einer ersten Zeitdauer steuert, wenn die Bestimmung der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils erforderlich ist, und während einer in Bezug auf die erste Zeitdauer unterschiedlichen zweiten Zeitdauer Sauerstoff in die Messgaskammer injiziert, um die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen.
  2. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Messgaskammer ausgesetzte erste Sensorzellenelektrode von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet wird.
  3. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre im Messgas die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  4. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas ist und dass die Steuerschaltung bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  5. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  6. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoff-Überwachungszelle vorgesehen ist, die die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und dass die Steuerschaltung bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre in der Messgaskammer die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  7. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoff-Überwachungszelle vorgesehen ist, die zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, dass das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas ist und dass die Steuerschaltung bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  8. Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoff-Überwachungszelle vorgesehen ist, die zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und dass die Steuerschaltung die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle und/oder die Sauerstoff-Überwachungszelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktiviert und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre aussetzt.
  9. Gassensorelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung die in der ersten Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre in einem Zustand aussetzt, bei dem die Temperatur des Gassensorelements 400°C oder mehr beträgt.
  10. Gassensorelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Gasbestandteil ein Stickoxid ist.
  11. Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Gassensorelements, das (a) eine Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, (b) eine Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und (c) eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils umfasst, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch die Schritte Aktivierung der Sauerstoff-Pumpzelle zur Aufrechterhaltung eines gegebenen niedrigen Konzentrationswertes des Sauerstoffs in der ersten Messgaskammer während einer ersten Zeitdauer, wenn die Bestimmung der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils erforderlich ist, und Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer während einer in Bezug auf die erste Zeitdauer unterschiedlichen zweiten Zeitdauer, um die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode zur Wiederherstellung der Ansprechempfindlichkeit der Sensorzelle einer Oxidationsatmosphäre auszusetzen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Messgaskammer ausgesetzte erste Sensorzellenelektrode von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet wird.
  13. Gassensorelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Sauerstoff-Injektionsschritt bei einer sauerstoffreichen Atmosphäre im Messgas die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert werden und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird.
  14. Gassensorelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas ist und dass im Sauerstoff-Injektionsschritt bei einem mageren Zustand des Abgases oder im Stillstand der Brennkraftmaschine die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer deaktiviert werden und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird.
  15. Gassensorelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Sauerstoff-Injektionsschritt die Sauerstoff-Pumpzelle und/oder die Sensorzelle zur Injektion von Sauerstoff in die Messgaskammer aktiviert werden und dadurch die in der Messgaskammer angeordnete erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird.
  16. Gassensorelement nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoff-Überwachungszelle vorgesehen ist, die zur Steuerung des Betriebs der Sauerstoff-Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer überwacht und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Überwachungszellenelektrode aufweist, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, gekennzeichnet durch die Schritte: Vorbereiten einer Gassensorelement-Anordnung zur Herstellung eines Gassensorelements mit (a) einer Messgaskammer, in die ein Messgas unter einem gegebenen Diffusionswiderstand eintritt, (b) einer Sauerstoff-Pumpzelle, die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration eines in der Messgaskammer enthaltenen Messgases selektiv Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt und aus der Messgaskammer abpumpt und einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode aufweist, von denen die erste Pumpzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist, und (c) einer Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Messgaskammer befindlichen Messgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper sowie eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils aufweist, wobei die erste Sensorzellenelektrode der Messgaskammer ausgesetzt ist und von einer Rhodium enthaltenden Cermet-Elektrode gebildet wird, Einbrennen der Gassensorelement-Anordnung zur Fertigstellung des Gassensorelements, und Aussetzen der in der Messgaskammer angeordneten ersten Sensorzellenelektrode einer Oxidationsatmosphäre in einem Temperaturbereich von 400°C bis 1000°C, nachdem der Einbrennvorgang der Gassensorelement-Anordnung erfolgt ist.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussetzungsschritt zyklisch durchgeführt wird und außerdem den Schritt des Aussetzens der ersten Sensorzellenelektrode einer Reduktionsatmosphäre in einem Temperaturbereich von 400°C bis 1000°C nach jedem Zyklus umfasst, bei dem die erste Sensorzellenelektrode der Oxidationsatmosphäre ausgesetzt wird.
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