DE102006056686A1

DE102006056686A1 - Elektrochemischer Gassensor und zugehörige Verwendung

Info

Publication number: DE102006056686A1
Application number: DE200610056686
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: DE102006056686B4

Abstract

Insbesondere zur Verwendung bei der Erfassung von Verbrennungsabgasen in Kraftfahrzeugen sind Gassensoren auf Halbleiterbasis bekannt, bei denen auf einem keramischen Substrat eine Metalloxidschicht mit metallischen Elektroden zur Beaufschlagung mit einem Messstrom einerseits und einem Heizstrom andererseits vorhanden sind. Gemäß der Erfindung ist die Sensorschicht als ein Leiterstück, das einerseits fest mit dem Substrat und andererseits fest mit einem weiteren elektrisch sehr gut leitenden Leiterstück, das die Erregung mit einem Hochfrequenz-Transportstrom dient, verbunden ist. Die Erregung des sehr gut leitenden Leiterstückes mit Hochfrequenzstrom führt zu der Ausbildung von Wirbelströmen in der elektrisch leitenden Sensorschicht, deren Intensität von der Dichte und der Art der vorhandenen Gase abhängig ist. Vorzugsweise wird der Transportstrom als hochfrequenter Strom drahtlos eingekoppelt, wobei das Auslesen von Messsignalen vorzugsweise ebenfalls drahtlos erfolgt. Insbesondere ein drahtlos arbeitender Gassensor kann außer als Lambdasonde beispielsweise auch als Mess- und Regelelement innerhalb des Brennraumes eines Motors verwendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Gassensor, insbesondere zur Verwendung bei der Erfassung von Verbrennungsgasen und/oder Verbrennungsabgasen, mit einem keramischen Substrat und einer elektrisch leitenden Sensorschicht, insbesondere einer Metalloxidschicht. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung solcher Gassensoren.
Eine optimierte Verbrennung ist von großer Bedeutung in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen einerseits und in Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie andererseits. Ziel ist es dabei jeweils, den Wirkungsgrad zu maximieren und den Abgasausstoß zu minimieren, was eine aktive Überwachung und Beeinflussung des Verbrennungsvorganges erfordert.
Im Einzelnen ist die Erfassung von Gasen bzw. Anteilen von chemisch aktiven Gasen in den Abgasen von insbesondere Kraftfahrzeugen ein wichtiger Bestandteil zur Gewährleistung einer hinreichenden Umweltfreundlichkeit der Kraftfahrzeuge. Für diesen Zweck dienen beispielsweise bekannte Lambdasonden. Davon abgesehen wäre beim Einspritzverfahren und/oder bei geschichteter Verbrennung für eine optimierte Einstellung des Gasgemisches im Brennraum ebenfalls eine geeignete Sonde nutzbringend.
Vom Stand der Technik sind Gassensoren auf Metalloxidbasis bekannt: Einerseits gibt es Metalloxidbasis-Sensoren, die bei hoher Temperatur betrieben und als gasempfindliche Widerstand nach dem ohm'schen Gesetz ausgelesen werden. Andererseits gibt es aber auch Metalloxidbasis-Sensoren, die in etwa bei Raumtemperatur betrieben und mit einem FET-Transistor ausgelesen werden.
Letztere FET-Gassensoren sind auch bekannt unter den Begriffen „GasFET" bzw. „ChemFET". Dabei wird ein Feldeffekttransistor (FET) mit Gate-Elektrode – meist auf Basis der CMOS-Technologie – in dem Sinne modifiziert, dass die Gate-Elektrode, die den Widerstand des Kanals beeinflusst und mittels bekannter Deponiertechniken fest mit dem Kanal verbunden ist, ersetzt wird durch eine über eine Luftspalt kapazitiv gekoppelte Gate-Elektrode und eine fest mit dem Kanal verbundene gassensitive Metalloxidschicht. Der Luftspalt wird als Transportkanal für das zu prüfende Gas benutzt. Das Gas reagiert mit der gassensitiven Schicht und ändert dabei das Austrittspotential des Kanals. Infolgedessen ändern sich der elektrische Widerstand des Kanals und der Strom durch den Kanal. Deren Wirkung ist ähnlich als würde die Gate-Spannung geändert.
Der „GasFET" ist ein Bauelement, das bis in etwa 100°C eingesetzt werden kann. Bei höheren Temperaturen versagt aber insbesondere das CMOS-basierte Bauelement. Unterhalb von 100°C ist ein derartiges Bauelement in seiner Ausgangsspannung allerdings stark von der Temperatur abhängig und muss deswegen für Temperaturschwankungen stabilisiert bzw. kompensiert werden.
Beispiele für letztere Sensoren sind in „Sensors and Actuators" B66 (2000), P. 116–118 und in „Appl. Physics Letters" 26 (1975), P. 55–57 veröffentlicht.
Die Hochtemperatur-Metalloxid-Gassensoren sind in ihre sensorische Wirkung auf eine gasempfindliche Sensorschicht begrenzt, deren elektrische Leitfähigkeit vom Partialdruck der Gaskomponenten abhängt. Dabei wird den elektrischen Widerstand der Sensorschicht gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht wird bestimmt durch die Zahl an Sauerstofffehlstellen in der Schicht und deren Mobilität. Beide Parameter sind stark abhängig von der Temperatur. Bei hohen Temperaturen sind üblicherweise beide Parameter groß und zudem gibt es dabei Temperaturbereiche wobei beide Parameter wenig variieren. Deswegen werden diese Sensoren üblicherweise bei Temperaturen zwischen 300 und 1000°C betrieben. Die genaue Betriebstemperatur hängt dabei ab vom sensitiven Material, das zum Beispiel Ga₂O₃, TiO₂, WO₃, SnO₂ od. dgl. sein kann. Beispiele von derartigen Hochtemperatur-Gassensoren sind unter anderen in „Sensors and Actuators" B 24-25 (1995), S. 239– 247 und. in „Proceedings Eurosensors XIV", Kopenhagen (2000), P. 923–926 beschrieben.
Des Weiteren werden nach obigen Prinzipien arbeitende Gassensensoren in der EP 1 067 377 A1 und in der DE 199 60 798 A1 der Anmelderin beschrieben.
Insbesondere sind in der Praxis verwendete Hochtemperatur-Gassensoren vorteilhafterweise auf der Basis von bei hoher Temperatur halbleitenden Metalloxiden, die bei diesen Temperaturen stabil sind, ausgebildet. Eine kostengünstige Ausführung ergibt sich dadurch, dass derartige Sensoren in Dünnschicht- oder Dickschicht-Technologie aufgebaut werden, wobei insbesondere die Vorteile einer planaren Integrationstechnik genutzt werden können.
Eine Ausführungsform eines Hochtemperatur-Gassensors gemäß dem Stand der Technik ist in der 1, die weiter unten noch im Einzelnen beschrieben wird, vereinfacht dargestellt. Insgesamt sind dabei auf einem Substrat mit Sensorschicht Elektroden vorhanden, die über Leitungen einerseits elektrisch beheizt werden, wobei über einen Transportstrom und dem zugehörigen Spannungsabfall eine Widerstandsänderung erfasst werden kann, die als Sensorsignal ausgewertet wird.
Von letzterem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der ein derartige Bauelement Erfindung, einen verbesserten Gassensor zu schaffen, der bei Verbrennungsprozessen für unterschiedlichste Anwendungen einsetzbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Gassensor gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Anwendungen bei Verbrennungsprozessen sind Gegenstand der Ver wendungsansprüche 16 und 19. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gassensors und dessen bevorzugter Anwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Gassensor, insbesondere zur Verwendung bei der Erfassung von Verbrennungsgasen und/oder Verbrennungsabgasen, der mindestens ein keramischen Substrat und mindestens eine elektrisch leitende Sensorschicht aufweist. Dabei ist die Sensorschicht als ein Leiterstück, das einerseits fest mit dem Substrat und andererseits fest mit einem weiteren elektrisch sehr gut leitenden Leiterstück, das die Erregung mit einem Hochfrequenz Transportstrom dient, verbunden ist. Die Erregung des sehr gut leitenden Leiterstückes mit Hochfrequenzstrom führt zu der Ausbildung von Wirbelströmen in der elektrisch leitenden Sensorschicht, deren Intensität von der Dichte und der Art der vorhandenen Gase abhängig ist.
Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich beinhalten die Sensorschichten eine Metalloxidschicht. Im Prinzip sind alle elektrochemisch aktive metallische Verbindungen zu berücksichtigen. Die unabdingbare Voraussetzung bei der Sensorschicht ist lediglich ihre Hochfrequenz elektrische Leitfähigkeit.
Beim erfindungsgemäßen Gassensor ist vorteilhafterweise zumindest der Transportstrom als Messstrom ein Hochfrequenzstrom, der induktiv oder über Funk, d.h. drahtlos, eingeprägt wird, wobei das Auslesen der Messsignale ebenfalls drahtlos erfolgt. Wesentlich ist dabei, dass der Hochfrequenz-Messstrom im elektrisch leitenden Material der Sensorschicht Hochfrequenz-Wirbelströme auslöst, die in ihrer Intensität und lokaler Dichte von der lokalen Gaskonzentration abhängen.
Die Messung der Wirbelstromfelder ermöglicht somit bei der Erfindung die Erfassung von lokalen Gaskonzentrationen. Insbesondere im Fall einer metalloxidischen Sensorschicht kann damit eine große Empfindlichkeit für sauerstoffbezogene Gaskomponenten erzielt werden.
Die Einprägung von Hochfrequenz-Wirbelströmen in der Sensorschicht hat einerseits den Vorteil dass der Messvorgang drahtlos durchgeführt werden kann und andererseits, dass die Palette an Sensormaterialien, die für den Sensor in Betracht kommen erweitert werden kann, da etliche Materialien, die nicht oder nicht ausreichend niederfrequenzleitfähig sind, dagegen eine ausreichend gute HF-Leitfähigkeit aufweisen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die bereits verwendeten Materialien bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden können, sofern der Sensor geheizt wird. Somit schließt der erfindungsgemäße Sensor in gewisser Maße die Lücke zwischen den Hochtemperatur und Raumtemperatur Gassensoren aus dem Stand der Technik. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn einerseits auch die Heizleistung drahtlos übertragen werden muss und andererseits eine Gasmessung in einer nicht heißen Umgebung durchgeführt werden soll.
Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung der Transportstrom gleichermaßen der Heizstrom sein, also ebenfalls ein Hochfrequenz drahtlos eingeprägter Strom. Weiterhin kann auf dem Substrat eine thermoelektrische Messeinrichtung, insbesondere ein Thermoelement, integriert sein, mit dem eine Temperaturkontrolle des Gassensors erfolgt.
Zur Anwendung von erfindungsgemäßen Gassensoren in Verbrennungsprozessen, beispielsweise bei Motoren und/oder Gasturbinen, können die Sensoren entweder in den Verbrennungsräumen oder aber außerhalb der Verbrennungsräume, insbesondere im Abgasstrang, platziert werden. Neben der Optimierung des Verbrennungsprozesses selbst werden somit mit der Erfindung gleichermaßen auch Mittel für eine wirksame Abgaserfassung und Abgasnachbehandlung bereitgestellt.
Bei der Erfindung können sowohl die Messsignale als auch die Signale der thermoelektrischen Messeinrichtung durch eine Funk-Frequenz-Identifizierung abgefragt werden. Dabei funktionieren die elektrischen Kreise auf dem Sensorchip als passi ve Transponder bei hoher Temperatur. Das Abfragen und Auslesen dieser passiven Transponder wird bei Umgebungstemperatur entweder durch aktive Transfer-Schaltungen, wie unter den 2 bis 5 dargestellt, durchgeführt oder durch zwischenschalten einer zusätzlichen aktiven Transponder mit Intelligenz, d.h. ein Halbleiterchip mit Prozessor und Speicher. Derartige aktive Transponder sind mittlerweile vorhanden. Damit arbeitende Einrichtungen sind auch als RFID-Transponder bekannt, die nunmehr vorteilhafterweise im Kraftfahrzeug eingesetzt werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 das Prinzip eines Hochtemperatur-Gassensors gemäß dem Stand der Technik und die
2 bis 5 Prinzipschaubilder des Gassensors entsprechend der Erfindung in unterschiedlichen Ausbildungen.
Es werden verschiedene Beispiele von Gassensoren beschrieben, die bei Verbrennungsprozessen mit hohen Temperaturen eingesetzt werden können. Solche Prozesse treten insbesondere bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge (KFZ), aber auch bei Gasturbinen zur elektrischen Energieerzeugung auf.
Bei letzteren Hochtemperaturprozessen sollen Sensoren einerseits im Brennraum platziert sein und unmittelbar das Brenngas erfassen. Andererseits können die Sensoren aber auch außerhalb des Brennraumes platziert werden und in diesem Fall insbesondere die Abgase des Verbrennungsprozesses erfassen, wie es beispielsweise mit einer Lambdasonde bei Motoren erfolgt. Wesentlich ist in beiden Fällen, dass eine Sensoranordnung geschaffen wird, die insgesamt einfach aufgebaut und auch bei den hohen Arbeitstemperaturen robust ist, wobei elektrische Signale generiert werden sollen, die ein Maß für die im Prozess vorhandenen und/oder entstehenden Gase sind. Dies wird insbesondere durch elektrische Wirbelströme erreicht, die durch Transportströme hoher Frequenz in den bei den hohen Arbeitstemperaturen leitfähigen Sensorschichten entstehen.
Wie oben bereits erwähnt, wird bei den nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Gassensoren hauptsächlich von der Anwendung bei Verbrennungsvorgängen, insbesondere bei Motoren von Kraftfahrzeugen (KFZ's) oder bei Gasturbinen, ausgegangen. Aber auch andere Anwendungen sind möglich.
Auf 1, die den relevanten Stand der Technik repräsentiert, wurde einleitend bereits hingewiesen: Hier ist auf einem keramischen Substrat 1 eine Metalloxidschicht 2 deponiert und sind zusätzlich zwei metallische Elektroden 5a und 5b, beispielsweise aus Platin, auf dem Sensormaterial 2 abgeschieden. Die Elektroden können beispielsweise als so genannte Kammerelektroden mit Messfingern ausgebildet sein, bei denen jeweils entgegengesetzt gepolte Messfinger nebeneinander liegen. Auf der Rückseite des Substrates 1 wird ein Heizer in Dick- oder Dünnfilmtechnologie abgeschieden, welcher aus 1 nicht im Einzelnen ersichtlich ist.
Bei der Anordnung gemäß 1 ist die Messgröße die elektrische Leitfähigkeit des halbleitenden Metalloxids. Nach dem ohmschen Gesetz wird die Leitfähigkeit als Spannungsabfall über den Elektroden gemessen, wobei die Elektroden mit einem Transportstrom I beaufschlagt sind. Die Zuleitungen für den Transportstrom I sind mit 3a und 3b und die Abgriffe zur Spannungserfassung mit 4a un 4b bezeichnet.
Die elektrische Leitfähigkeit ist bei oxidischem Halbleitermaterial üblicherweise von Sauerstoff-Fehlstellen dominiert. Die Konzentration von Sauerstoff-Fehlstellen in der Schicht wird gesteuert vom Sauerstoff in freier oder gebundener Form der Umgebung, beispielsweise vom Abgas und dessen Temperatur beim Verbrennungsmotor. Aus diesem Grunde wird das Substrat 1 bzw. der komplette Sensor mit einem Heizer auf hohe Temperatur gebracht. Bei konstanter Temperatur können mit dem Sensor somit Sauerstoff-Anteile im Gas quantitativ gemessen werden.
2 geht vom Aufbau gemäß 1 mit dem Substrat 1, der Metalloxidschicht 2 und den Elektrodenzuleitungen 3 und 4 aus. Das Metalloxid 2 stellt dabei einen Innenleiter dar, der wie oben beschrieben in Dick- oder Dünnschichttechnologie hergestellt wurde.
Auf der elektrisch leitenden Schicht des Innenleiters 2 ist in 2 ein elektrisch leitender Transformator 25 aus Teilspulen abgeschieden, der primär als eine mäandernde Flachspule 25a und sekundär als eine koppelnde Flachspule 25b ausgebildet ist. Zwischen den Teilspulen 25a und 25b ist ein Kopplungselement 26 angeordnet. Die Koppelspule 25b ist induktiv (M₁) mit einem externen Erregerkreis aus Spule 8 und HF-Generator 12 gekoppelt.
Der Erregerkreis sorgt einerseits für die elektrische Versorgung des Transformators 25 und andererseits für die Erfassung der gasabhängigen Signale, die insbesondere für die Sauerstoffanteile im Gas signifikant sind. Dabei erfolgt die Gasmessung als Messung der Impedanzänderung an den Transformatorspulen, die durch die Anregung der Wirbelströme in der Sensorschicht 2 bewirkt wird, wobei extern die Änderung der Spannung U_err erfassbar ist.
Wie bereits erwähnt, wird der so gebildete Sensor durch einen auf der Rückseite des Substrates 1 abgeschiedenen, in den einzelnen Figuren nicht dargestellten Heizer beheizt, wobei der Heizer ebenfalls vorteilhafterweise induktiv über M₂ von einem Heizkreis elektrisch versorgt wird. Dabei wird der Heizkreis durch einen Regler 7 und eine Induktivität 9 in Verbindung mit einem Frequenzgenerator 11 gebildet. Der Heizkreis ist über den Regler mit einem Temperaturmesskreis ver bunden, der aus einem Verstärker 6, dem Regler und einem weiteren Frequenzgenerator 10 gebildet ist.
Der Temperaturfühler 21 ist vorzugsweise Teil eines Resonanzkreises und wird so über den Temperaturmesskreis induktiv über M₁ elektrisch versorgt und ausgemessen. Die Messspannung wird über den Verstärker 6 verstärkt und gleichermaßen als Regelgröße im Regler 7 benutzt.
In der 3 ist der Gassensor gemäß 2 dergestalt abgewandelt, dass der Sensorkreis gleichermaßen den Heizkreis bildet. Die Elemente 1 bis 2 und 6 bis 10, 11 sowie 25 sind mit den entsprechenden Elementen aus 2 identisch.
In 3 wird also die Heizleistung über den Auswertekreis des Sensors zugeführt. Zum Heizen wird die Induktivität 9 benutzt, während für die Detektion die Spannungsdifferenz zwischen der Induktivität 9 der nominell gleichen Induktivität 8 genutzt wird.
Bei der Anordnung gemäß 3 ist die Spannungsdifferenz proportional mit der Änderung der Impedanz 9 durch Wirbelströme in der Sensorschicht 2 und dem Strom i, der über einen zusätzlichen Serienwiderstand R_S gemessen wird.
Für die Messspannung U(G), die nicht in 3 vermerkt ist, gilt in Abhängigkeit von den Messimpedanzen: U(G) = I(Z9 – Z8) = [U(I)/RS]δZ9(ws), (1)wobei U(I) die Spannung über den Widerstand R_S, I den nominellen Wert des Stroms durch den Spulenimpedanzen Z₈ und Z₉ ist und δZ(ws)die Änderung der Spulenimpedanz Z₉ durch Wirbelströme in der Sensorschicht ist
Ein Sensor gemäß 3 kann als λ-Sonde den bisher bekannten Sauerstoffsensor im Krümmer eines Kraftfahrzeugmotors ersetzen. Dabei kann man die bisher in einer Brücke vorhandene Induktivität 9 auf dem Sensorsubstrat 2 integrieren, anstelle der Transformator 25. Somit ist bereits der bisherige Sauerstoff-Sensor des Standes der Technik wesentlich vereinfacht.
Es gilt wiederum die oben bereits erläuterte Gleichung (1): U(G) = I(Z9 – Z8) = [U(I)/RS]δZ9(ws) (1)
In 4 ist ein Sauerstoff-Sensor für den Abgasbereich mit einer zweifachen Nutzung der Sensorspule sowohl als Heizelement als auch als Sauerstoffdetektor ausgebildet. Die einzelnen Elemente entsprechen den Elementen der 3. Bei der Signalgewinnung ergibt sich eine Signalspannung U(G) entsprechend Gleichung 1.
Die Sensoren gemäß den 3 und 4 können dadurch weiterhin verbessert werden, dass durch Maßnahmen zur Selbstkompensation auf eine separate Temperaturmessung und Temperaturstabilisierung verzichtet werden kann. Dies wird anhand 5 verdeutlicht.
In 5 wird ausgehend vom Beispiel aus 3 ein zweiter, nominell gleicher Wandler mit Transformator 25' hinzugefügt, wobei der zweite Wandler 2/25' gegen eine Gaseinwirkung passiviert ist. Dies bedeutet im Einzelnen, dass nur der Wandler 2/25 für Gas empfindlich ist, beide ansonsten identische Wandler 2/25 und 2/25' aber gleich empfindlich für Temperaturschwankungen sind. Durch die Bildung des Spannungsverhältnisses an den Induktivitäten 8 und 9, insbesondere U₉/U₈ entsteht dabei eine Messgröße, die nunmehr weitestgehend unabhängig von der Temperatur ist, da δZ/Z eine Größe ist die im Zähler und Nenner in gleicher Maße von der Temperatur abhängt. Es gilt: U(9) = 0,5IZ9 = [U(I)/2RS][Z9(0,T) + δZ9(G,T)] (2.1) U(8) = 0,5IZ8 = [U(I)/2RS][Z8(0,T)]Z8(0,T) ≅ Z9(0,T) (2.2) U(9)/U(8) = [1 + δZ9/Z8(0)] ≅ [1 + δZ9/Z9], (2.3) wobei die gleichen Bezeichnungen wie bei Gleichung (1) gewählt sind und δZ₉/Z₉ in erster Annäherung unabhängig von T ist.
Mit den Ausführungsformen entsprechend den 2 bis 5 ist nunmehr ein Sensor zur Verwendung bei Verbrennungsprozessen geschaffen, der nicht nur für den Betrieb außerhalb des Brennraumes, wie bei der bekannten λ-Sonde, sondern auch innerhalb des Brennraumes geeignet ist. Ein drahtloser Sensor ist aber für den Betrieb im Brennraum unabdingbar. Dies gilt insbesondere für einen Einsatz für Gasturbinen mit entsprechend hohen Temperaturen. Verwendet man verteilte Systeme, d.h. mit passiven Transpondern bei hoher Temperatur und aktiven Transpondern mit Intelligenz bei Raumtemperatur, kann das Auslesen des Sensors nach dem Transponderprinzip mit verfügbaren aktiven RFID-Systemen erfolgen.
Durch die Integration eines Temperatursensors, insbesondere eines Thermoelementes, auf dem Sensor wird eine genaue lokale Temperaturmessung vom Sensor ermöglicht, was für eine genaue Sauerstoffmessung wesentlich ist. Gleichermaßen ermöglicht die temperaturgesteuerte Substratheizung die genaue Sauerstoffmessung.
Durch ein Zusammenlegen von Detektorkreis und Heizkreis kann der apparative Aufwand erheblich reduziert werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Sensor galvanisch mit der Umwelt gekoppelt ist, wie es im Einzelnen anhand 4 erläutert wurde.
Bei Hinzunehmen eines zweiten Wandlers gemäß 5 und Auswertung des Spannungsverhältnisses kann man vorteilhaft auf eine eigenständige Temperaturmessung und Temperaturregelung verzichten.
Insgesamt hat der neue Gassensor folgende Eigenschaften:

– Der Sensor wird mit einem Hochfrequenz-Transportstrom beaufschlagt.
– Der Transportstrom kann im Spezialfall gleichzeitig auch als Heizstrom verwendet werden.
– Das Beaufschlagen mit Transportstrom geschieht insbesondere induktiv oder per Funk und kann somit drahtlos erfolgen. Gegebenenfalls ist auch eine galvanische Einspeisung des Hochfrequenz-Transportstroms möglich.
– Das Auslesen des Sensors erfolgt ebenfalls insbesondere drahtlos als Erfassung der Impedanzänderung der Schicht bei der Erregerfrequenz gemäß dem sog. Transponderprinzip. Gegebenenfalls kann das RFID-Prinzip realisiert werden.
– Auf dem Substrat kann ein Thermoelement als Temperaturmesser integriert sein, das ebenfalls nach dem Transponderprinzip abfragbar ist. Die Erregerleistung wird dann vom Signal des Thermoelementes gesteuert.
– Es kann eine Temperaturkompensation durch Parallelschaltung zweier Sensoren, von denen einer gasunempfindlich gemacht ist, erfolgen.

Claims

Elektrochemischer Gassensor, insbesondere zur Verwendung bei der Erfassung von Verbrennungsgasen und/oder Verbrennungsabgasen, mit mindestens einem keramischen Substrat und mindestens einer bei der Arbeitstemperatur elektrisch leitenden Sensorschicht, insbesondere einer Metalloxidschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht als ein Leiterstück (2), das einerseits fest mit dem Substrat (1) und andererseits fest mit einem weiteren elektrisch sehr gut leitenden Leiterstück (25) verbunden ist, dass das Leiterstück (25) zur Erregung mit einem Hochfrequenz-Transportstrom (I) dient, wobei die Erregung des Leiterstückes (25) mit dem Hochfrequenzstrom (I) Wirbelströme in der Sensorschicht (2) bewirkt, deren Intensität von der Dichte und der Art der vorhandenen Gase abhängig ist.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterstück (25) metallische Elektroden zur Beaufschlagung mit dem Transportstrom einerseits und einem Heizstromes andererseits aufweist.
Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Transportstrom als Hochfrequenzstrom mit vorgebbarer Erregerfrequenz induktiv oder über Funk drahtlos einprägbar ist, wobei die Messsignale drahtlos auslesbar sind.
Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom vom Transportstrom abgeleitet wird.
Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportstrom gleichermaßen dem Heizstrom bildet.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Leiter auf der Sensorschicht (2) einen Transformator (25) mit zwei Teilspulen (25a, 25b) bildet.
Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Teilspulen (25b) induktiv mit einer externen Erregerkreis (M1) gekoppelt ist.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesselement vorhanden ist, das zur Temperaturkontrolle dient und Mittel zur Temperaturstabilisierung steuert.
Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesselement (20) Teil eines Resonanzkreises ist.
Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesselement (20) ein Platinwiderstand oder ein Thermoelement ist.
Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (20) als Temperaturmesselement auf dem Substrat (1) integriert ist.
Gassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerleistung für die Übertragung des Heizstromes vom Thermoelement (20) gesteuert ist.
Gassensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (20) nach dem Transponderprinzip durch eine Funk-Frequenz-Identifizierung (RFID) abfragbar ist, wozu ein Hochtemperaturschwingkreis und ein Raumtemperaturkreis mit Intelligenz zusammenarbeiten.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal eine Spannungsdifferenz ist, die proportional mit der Änderung der Impedanz (2) durch Wirbelströme in der Sensorschicht ist.
Gassensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung der Impedanzänderung der Schicht bei der Erregerfrequenz erfolgt.
Gassensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal durch eine Funk-Frequenz-Identifizierung (RFID) abfragbar ist, wozu ein verteiltes System mit Intelligenz bei niedrigen Temperaturen vorhanden ist.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Parallelschaltung zweier Messstrukturen eine Selbst-Temperaturkompensation bei der Signalauswertung erfolgt
Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 17 bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen (KFZ).
Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zur Steuerung des Verbrennungsprozesses im Brennraum des Motors verwendet wird
Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor als Lambda-Sonde im Abgasstrang des Motors verwendet wird.
Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 17 bei Gasturbinen zur elektrischen Energieerzeugung.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zur Steuerung des Verbrennungsprozesses im Brennraum der Gasturbine verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor als Messsonde bei der Abgasbehandlung der Verbrennungsgase der Gasturbine verwendet wird.