DE102007049716A1 - Sensor e.g. pump sensor, unit for determining physical characteristic i.e. oxygen concentration, of gas i.e. exhaust gas, in measuring gas chamber, has gas-tightly closed cavity provided such that electrode is arranged in cavity - Google Patents

Sensor e.g. pump sensor, unit for determining physical characteristic i.e. oxygen concentration, of gas i.e. exhaust gas, in measuring gas chamber, has gas-tightly closed cavity provided such that electrode is arranged in cavity Download PDF

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Abstract

The sensor unit (110) has an electrode (114) arranged in a cathode cavity (116), another electrode (122) and a solid electrolyte (142), which is connected to the electrodes. Another solid electrolyte (146) is connected with a third electrode (148) and a fourth electrode (150). A gas-tightly closed cavity (138) is provided such that the third electrode is arranged in the cavity. The third electrode and the fourth electrode are electrically connected with each other by an electric conductor. An independent claim is also included for a method for determining a physical characteristic of a gas in measuring gas chamber.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie spielen.The The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic Properties of certain solids based, so the ability this solid to conduct certain ions. such Sensor elements are used in particular in motor vehicles, to measure air-fuel gas mixture compositions in which Case these sensor elements also called "lambda probe" are known and have an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology play.

Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.With the so-called air ratio "lambda" (λ) is thereby generally in combustion engineering the relationship between an actually offered air mass and one for the combustion theoretically required (i.e., stoichiometric) Air mass designated. The air ratio is thereby by means of one or more Sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system an internal combustion engine measured. Accordingly, "fat" Gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel surplus) an air ratio λ <1 whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. Next Automotive technology will be such and similar Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology), for example in aviation technology or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.

Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 A1 , DE 199 38 416 A1 und DE 10 2005 027 225 A1 beschrieben.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment is the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured Properties usually doped zirconia (eg yttrium-stabilized ZrO 2 ) or similar ceramics used as solid electrolyte.Theoretically, the potential difference between the electrodes just at the transition between rich gas mixture and lean gas mixture on a characteristic jump, which can be used in order to actively regulate the gas mixture composition around the jump point λ = 1. Various embodiments of such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in US Pat DE 10 2004 035 826 A1 . DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1 described.

Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen.alternative or in addition to jump probes also so-called "pump cells" used in which an electrical "pumping voltage" to two electrodes connected over the solid electrolyte is applied, with the "pumping current" through the pumping cell is measured. In contrast to the principle of the jump probes For pump cells usually both electrodes with the measured Gas mixture in conjunction. One of the two electrodes (usually over a permeable protective layer) immediately to be measured Exposed to gas mixture. However, the second of the two electrodes is designed such that the gas mixture is not directly to this Electrode can pass, but first penetrate a so-called "diffusion barrier" in order to penetrate into a cavity adjacent to this second electrode to get. As a diffusion barrier is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii used. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the Cavity, so by means of the pumping voltage to oxygen molecules the second negative electrode electrochemically to oxygen ions reduced, through the solid electrolyte to the first, positive electrode transported and released there as free oxygen again. The Sensor elements are usually in the so-called limit current operation operated, that is in an enterprise, in which the Pumping voltage is chosen such that the through the diffusion barrier incoming oxygen is completely pumped to the counter electrode becomes. In this mode, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, see above that such sensor elements often as proportional sensors be designated. In contrast to jump sensors can be such Proportionalsensoren as so-called broadband sensors on a comparatively wide range for the air ratio lambda deploy.

Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in DE 38 09 154 C1 und in DE 199 38 416 A1 beschrieben.Such broadband probes are for example in DE 38 09 154 C1 and in DE 199 38 416 A1 described.

In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller" erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 B1 beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.In many sensor elements, the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors.For example, the principle described above for a pump cell To expand the principle of working "single cell" by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double cell." Such a structure is, for example, in EP 0 678 740 B1 described. In this case, by means of a Nernst cell, the oxygen partial pressure in the above-described, to the second Measured electrode adjacent cavity and tracked the pumping voltage by a control so that in the cavity always the condition λ = 1 prevails.

Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen in der Praxis verschiedene Probleme auf. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Gasgemisches gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom gemessen, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 400–700 mV, beispielsweise 500 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen molekularen Wasserstoff zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode, also der ersten Elektrode, beeinflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden kann. Die bei der H2O-Bildung an der Anode freiwerdende Energie kompensiert somit die zur H2O-Zersetzung an der Kathode benötigte Energie, weshalb die Pumpspannung in der Regel unter 1,23 V liegt. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sauerstoff-liefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO. Der Strom ist also im Bereich fetter Gemische (Fettpumpstrom) durch den Wasserstoffgehalt im Bereich der ersten Elektrode (z. B. Anode) und den Wasserdampfgehalt (d. h. insbesondere den Zutritt des Wasserdampfes durch die oben beschriebene Diffusionsbarriere) im Bereich der zweiten Elektrode (z. B. Kathode) begrenzt. Die Problematik besteht nun insbesondere darin, dass der Fettpumpstrom und der Magerpumpstrom elektrisch dieselbe Richtung aufweisen, so dass aus dem Pumpstrom ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches kaum mehr möglich ist. Neben der beschriebenen Problematik im Bereich fetter Gemische ist auch im Bereich leicht magerer Abgase eine Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen, welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven Beitrag zum Pumpstrom liefert.Broadband sensor elements in a single-cell arrangement with two electrodes exposed to the gas mixture have various problems in practice. Thus, a positive pumping current (lean pumping current) with a clear relationship to the oxygen content of the gas mixture is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture. In the rich gas mixture, however, a positive pumping current is usually also measured, even if the applied pumping voltage (usually about 400-700 mV, for example 500 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V). This positive pumping current is essentially due to the molecular hydrogen contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, ie the first electrode, since water can now be formed on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen. The energy released at the anode during H 2 O formation thus compensates for the energy required for H 2 O decomposition at the cathode, which is why the pumping voltage is generally below 1.23 V. Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO 2 / CO. The current is thus in the range of rich mixtures (fat pump current) by the hydrogen content in the region of the first electrode (eg anode) and the water vapor content (ie in particular the access of the water vapor through the above-described diffusion barrier) in the region of the second electrode (z. B. cathode) limited. The problem now consists, in particular, in that the fat pumping current and the lean pumping current have the same direction electrically, so that a conclusion on the composition of the gas mixture is scarcely possible from the pumping current. In addition to the problems described in the field of rich mixtures, a falsification of the pumping current by the hydrogen is also to be observed in the area of slightly lean exhaust gases, which is already present in this area and provides a positive contribution to the pumping current.

Eine weitere Problematik bekannter Sensorelemente in Einzeller- oder Mehrzelleranordnung besteht darin, dass die eingesetzten Elektroden im praktischen Einsatz starken Belastungen durch Verschmutzung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Art ausgesetzt sind. Insbesondere macht sich diese Problematik bei Elektroden bemerkbar, welche als Referenzelektroden eingesetzt werden, um eine Potentialdifferenz zu messen. Hier führt die Verschmutzung zu einer Veränderung des Elektrodenpotentials und beeinflusst somit die gemessenen Nernst-Spannungen. Bei Pumpzellen kann die Kontamination der zweiten Pumpelektrode aufgrund eines zusätzlichen Potenzialabfalls zu einer erhöhten effektiven Pumpspannung führen. Insbesondere kann es sich bei diesen Verschmutzungen um Verschmutzungen einer Referenz durch Feuchtigkeit und/oder organische Verschmutzungen, wie beispielsweise Kraftstoffdämpfe handeln. Diese Problematik ist allgemein auch als „CSD" (Continuous Shift Down) bekannt. Die Verschmutzungsproblematik kann sich insbesondere bei neueren Planaren Sondengenerationen auswirken, bei welchen besonders kurze Sondenelemente eingesetzt werden, also beispielsweise Sondenelemente, bei denen Verunreinigungen kürzere Wege bis zur Referenzelektrode zurückzulegen haben als bei bisherigen Sondenelementen.A further problem of known sensor elements in single cell or Mehrzelleranordnung is that the electrodes used in practical use strong pollution due to contamination, liquid and / or gaseous species exposed are. In particular, this problem is noticeable in electrodes, which are used as reference electrodes to a potential difference to eat. Here the pollution leads to a change of the electrode potential and thus influences the measured Nernst voltages. In pump cells, the contamination of the second pump electrode due to an additional potential drop to an increased cause effective pumping voltage. In particular, it can be at this contamination to contamination of a reference through Moisture and / or organic contaminants, such as Fuel vapors act. This problem is common too known as "CSD" (Continuous Shift Down) may particularly affect newer planar probe generations, in which particularly short probe elements are used, ie For example, probe elements where contaminants have shorter paths have to travel back to the reference electrode than in previous Probe elements.

Zur Lösung dieser Verschmutzungsproblematik bieten sich verschiedene Wege an. Insbesondere könnte die relevante Elektrode (insbesondere die Referenzelektrode) effektiv abgedichtet werden, um eine Verschmutzung von der Elektrode fernzuhalten. So könnte ein abgedichteter Referenzluftraum um die relevante Elektrode herum erzeugt werden, der gegenüber Verschmutzungen abgeschirmt ist. Nachteilig an dieser Idee ist jedoch, dass in diesem Fall der Referenzluftraum nicht oder nur unzureichend mit frischem Sauerstoff versorgt würde. Zudem ist eine Abschirmung des Referenzluftraumes technisch aufwendig und teuer, da hierbei kostenintensive Dichtungsmaterialien hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden müssten.to There are a variety of solutions to this problem of contamination Ways. In particular, the relevant electrode (in particular the Reference electrode) can be effectively sealed to prevent contamination Keep away from the electrode. So could a sealed Reference air space can be generated around the relevant electrode, the shielded against contamination. Disadvantageous This idea, however, is that in this case the reference airspace not or insufficiently supplied with fresh oxygen. In addition, a shielding of the reference air space is technically complicated and expensive, since this costly sealing materials higher Temperature resistance would have to be used.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird daher ein Sensorelement vorgeschlagen, welches zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, einsetzbar ist und welches die Nachteile der oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere ist es mit dem im folgenden vorgeschlagenen Konzept möglich, die auf unerwünschte Elektrodenreaktionen zurückzuführende Nichteindeutigkeitsproblematik der Kennlinie bei Sensorelementen in Breitbandanordnung zu vermeiden. Auch die beschriebene CSD-Problematik, insbesondere bei Einzellern oder Mehrzellern mit Referenzelektroden, kann mittels des vorgeschlagenen Sensorelementkonzeptes weitgehend vermieden werden. Das Konzept ist somit sowohl auf Pump- bzw. Breitbandsensoren anwendbar als auch auf Sensorelemente im Sprungzellenkonzept.It Therefore, a sensor element is proposed which for the determination at least one physical property of a gas in at least a measuring gas space, in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust of an internal combustion engine, can be used and which has the disadvantages the above-described, known from the prior art sensor elements at least largely avoids. In particular, it is with the following proposed possible on unwanted Electrode reactions attributable to non-objectivity problematic to avoid the characteristic of sensor elements in broadband arrangement. Also, the described CSD problem, especially in unicellulars or multicellular with reference electrodes, can by means of the proposed Sensor element concept are largely avoided. The concept is thus applicable to both pump and broadband sensors as also on sensor elements in the jump cell concept.

Vorgeschlagen wird ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum, insbesondere ein Sensorelement gemäß der obigen Beschreibung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Anwendungen sind jedoch denkbar. Das Sensorelement umfasst mindestens vier Elektroden: eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden ersten Festelektrolyten, eine dritte Elektrode, eine vierte Elektrode und mindestens einen die dritte Elektrode und die vierte Elektrode verbindenden zweiten Festelektrolyten. Insofern kann die vorgeschlagene Anordnung als ein Sensorelement mit einer ersten elektrochemischen Messzelle (erste Elektrode, zweite Elektrode, erster Festelektrolyt) und einer zweiten elektrochemischen Messzelle (dritte Elektrode, vierte Elektrode und zweiter Festelektrolyt) betrachtet werden.Proposed is a sensor element for determining at least one physical property of a gas in at least one measurement gas space, in particular a sensor element according to the above description for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. However, other applications are conceivable. The sensor element comprises at least four electrodes: a first electrode, a second electrode, at least one first solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode, a third electrode, a fourth electrode, and at least one second solid electrolyte connecting the third electrode and the fourth electrode. In this respect, the proposed arrangement can be regarded as a sensor element with a first electrochemical measuring cell (first electrode, second electrode, first solid electrolyte) and a second electrochemical measuring cell (third electrode, fourth electrode and second solid electrolyte).

Unter einem Festelektrolyten ist dabei, wie oben bereits dargelegt, ein Material zu verstehen, welches Ionen-leitende Eigenschaften aufweist, wobei vorzugsweise Festelektrolyten mit Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften wie zum Beispiel Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) bevorzugt sind. Auch andere Materialien sind jedoch einsetzbar. Die Elektronen-leitenden Eigenschaften derartiger Festelektrolyte sind in der Regel vernachlässigbar und können beispielsweise um vier Größenordnungen unter den Ionen-leitenden Eigenschaften liegen, beispielsweise um mindestens zwei oder sogar drei Größenordnungen bei den üblichen Arbeitstemperaturen von über 600°C.Under a solid electrolyte is, as already stated above, a To understand material which has ion-conducting properties, preferably solid electrolyte with oxygen ion-conducting Properties such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ) are preferred. However, other materials are used. The electron-conducting properties of such solid electrolytes are usually negligible and can for example, four orders of magnitude below the Ion-conducting properties are, for example, at least two or even three orders of magnitude in the usual Working temperatures of over 600 ° C.

Das Sensorelement ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mindestens eine der Elektroden der ersten elektrochemischen Messzelle (also die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode) mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Zu diesem Zweck kann die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode beispielsweise mit dem Messgasraum direkt, über einen Kanal oder einer verengte Öffnung, über eine Diffusionsbarriere, über eine Schutzschicht oder auf ähnliche Weise mit dem Messgasraum in Verbindung stehen, so dass zumindest in begrenztem Maße ein Gasaustausch zwischen einem Umgebungsbereich der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode und dem Messgasraum möglich ist.The Sensor element is preferably designed such that at least one of the electrodes of the first electrochemical measuring cell (ie the first electrode and / or the second electrode) with gas from the sample gas space can be acted upon. For this purpose, the first electrode and / or the second electrode, for example, with the sample gas chamber directly, via a channel or a narrowed opening, over a diffusion barrier, via a protective layer or the like Way communicate with the sample gas space, so that at least to a limited extent a gas exchange between a surrounding area the first electrode and / or the second electrode and the sample gas space is possible.

Die vierte Elektrode steht in ähnlicher Weise mit mindestens einem Gasraum in Verbindung. Diese Verbindung kann wiederum direkt (das heißt über einen Kanal, eine Öffnung, durch unmittelbare Anordnung der vierten Elektrode in dem Gasraum, über eine Schutzschicht, eine Diffusionsbarriere oder auf ähnliche Weise erfolgen, welche einen Gasaustausch zwischen einer Umgebung der vierten Elektrode und dem Gasraum zulässt. Der Gasraum kann ein von dem Messgasraum getrennt angeordneter Raum sein, beispielsweise ein Umgebungsraum des Sensorelements (zum Beispiel ein Motorraum eines Kraftfahrzeugs) oder kann mit dem Messgasraum zumindest teilweise identisch sein. Insofern ist der Ausdruck „Gasraum" weit zu fassen, da der Gasraum auch beispielsweise in einer Pumpzellenanordnung lediglich als Raum genutzt werden kann, in welchen aus dem Festelektrolyten austretende Gase abgeführt werden, ohne dass eine weitere Funktion, beispielsweise eine Referenzfunktion im elektrochemischen Sinne, wahrgenommen würde. Verschiedene Ausführungsbeispiele, die eines der beiden Konzepte umsetzen, werden nachstehend näher erläutert.The fourth electrode is similarly at least a gas space in connection. This connection can turn directly (ie via a channel, an opening, by direct arrangement of the fourth electrode in the gas space, via a Protective layer, a diffusion barrier or similar Done way, which is a gas exchange between an environment the fourth electrode and the gas space permits. The gas space may be a space separate from the sample gas space, for example an environmental space of the sensor element (for example, an engine room a motor vehicle) or at least partially with the measuring gas space be identical. In that sense, the term "gas space" is far to grasp, since the gas space, for example, in a pumping cell arrangement only can be used as a room in which from the solid electrolyte escaping gases are discharged without another Function, for example, a reference function in the electrochemical Meaning, would be perceived. Various embodiments, which implement one of the two concepts will become more detailed below explained.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, mindestens eine der Elektroden, welche für eine oder beide der oben beschriebenen Probleme (CSD und/oder unerwünschte Elektrodenreaktionen) verantwortlich ist, in einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum des Sensorelements anzuordnen. Unter „gasdicht abgeschlossenen Hohlraum" ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Hohlraum zu verstehen, welcher vollständig gasdicht abgeschlossen ist. Der Begriff „gasdicht" ist jedoch weit zu fassen, so dass auch ein geringfügiger Zustrom von Gas in den gasdicht abgeschlossenen Hohlraum möglich sein kann, wobei jedoch dieser Zustrom gering sein soll (beispielsweise um mindestens eine oder zwei Größenordnungen geringer) gegenüber einem Gasstrom, welcher im Normalbetrieb des Sensorelements (d. h. bei üblichen Spannungen von einigen 100 mV bis maximal 1 V und Betriebstemperaturen von beispielsweise über 600°C) durch einen oder mehrere der Festelektrolyten in den Hohlraum gelangen kann oder aus diesem Hohlraum herausgelangen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass die in dem Hohlraum angeordnete Elektrode bzw. die in dem Hohlraum angeordneten Elektroden sowohl gegenüber dem Messgasraum als auch gegenüber dem Gasraum zuverlässig abgeschirmt sind.One The basic idea of the present invention is at least one of the electrodes which is for one or both of the above described problems (CSD and / or unwanted electrode reactions) is responsible, in a gas-tight cavity of the Arrange sensor element. Under "gas-tight Cavity "is preferred in the context of the present invention to understand a cavity which completely gas-tight is completed. The term "gas-tight" is however far to grasp, so that also a slight influx of gas may be possible in the gas-tight cavity, however, this inflow should be low (for example, around at least one or two orders of magnitude smaller) against a gas flow, which in normal operation of Sensor element (i.e., at common voltages of some 100 mV to a maximum of 1 V and operating temperatures of, for example, over 600 ° C) enter the cavity through one or more of the solid electrolytes can or can get out of this cavity. This ensures that in the cavity disposed electrode or in the cavity arranged electrodes both with respect to the sample gas space as well as reliably shielded from the gas space are.

Derartige gasdicht abgeschlossene Hohlräume sind aus dem Stand der Technik in anderem Zusammenhang bereits bekannt. So zeigt beispielsweise DE 102 19 881 A1 einen derart gasdicht abgeschlossenen Hohlraum als Messgasspeicher. Mittels eines Pumpelektroden-Paares kann über einen Ionenleiter Messgas eingebracht werden, was in verschiedenen Messzyklen zur Bestimmung der Gaszusammensetzung in dem Messgasraum genutzt werden kann.Such gas-tight closed cavities are already known from the prior art in another context. So shows, for example DE 102 19 881 A1 such a gas-tight closed cavity as a sample gas storage. By means of a pair of pump electrodes, measurement gas can be introduced via an ion conductor, which can be used in various measurement cycles for determining the gas composition in the measurement gas space.

Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen wird jedoch erfindungsgemäß vorgeschlagen, den gasdicht abgeschlossenen Hohlraum mit dem Gasraum dadurch zu verbinden, dass die oben beschriebene zweite elektrochemische Messzelle, welche die in dem gasdicht abgeschlossenen angeordnete dritte Elektrode, den zweiten Festelektrolyten und die mit dem Gasraum in Verbindung stehende vierte Elektrode umfasst, als kurzgeschlossene Nernst-Zelle oder als kurzgeschlossene Brennstoffzelle ausgestaltet wird. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß mindestens ein elektrischer Leiter vorgesehen, welcher die dritte Elektrode und die vierte Elektrode elektrisch miteinander verbindet.In contrast to the known arrangements, however, the invention proposes to connect the gas-tight cavity with the gas space characterized in that the above-described second electrochemical measuring cell, which arranged in the gas-tight arranged third electrode, the second solid electrolyte and with the gas space in combination standing fourth electrode, designed as a short-circuited Nernst cell or as a short-circuited fuel cell. For this purpose, according to the invention, at least one electrical conductor is provided which electrically connects the third electrode and the fourth electrode to one another.

Somit kann über den zweiten Festelektrolyten, welcher beispielsweise als Membran ausgestaltet sein kann, zwar Gas (Sauerstoff) aus dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum in den Gasraum abgeführt werden oder aus dem Gasraum dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum zugeführt werden (je nach Konzentrationsgefälle, siehe unten), wobei sich jedoch in der Regel ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen dem Hohlraum und dem Gasraum nicht einstellen kann. Auf diese Weise kann sich, je nach Betriebsweise der ersten elektrochemischen Messzelle (siehe die verschiedenen, im Folgenden aufgeführeten Möglichkeiten) ein leicht erhöhter Gas-Partialdruck (zum Beispiel Sauerstoff-Partialdruck) oder ein leicht erniedrigter Gas-Partialdruck in dem Hohlraum relativ zum Gasraum einstellen. Im Gegensatz zu gemischtleitenden Materialien (so genannten Mixed Ionic-Elektronic Conductors, MIEC-Materialien) werden die Ionenleitung und elektronische Leitung erfindungsgemäß von getrennten Elementen übernommen, nämlich dem zweiten Festelektrolyten bzw. dem elektrischen Leiter.Consequently can via the second solid electrolyte, which, for example may be configured as a membrane, although gas (oxygen) from the gas-tight sealed cavity discharged into the gas space or from the gas space the gas-tight sealed cavity (depending on the concentration gradient, see below), but usually with a thermodynamic equilibrium between the cavity and the gas space can not adjust. On This way may vary depending on the mode of operation of the first electrochemical Measuring cell (see the various, listed below Possibilities) a slightly increased gas partial pressure (For example, oxygen partial pressure) or a slightly reduced gas partial pressure set in the cavity relative to the gas space. In contrast to mixed conducting materials (so-called Mixed Ionic-Elektronic Conductors, MIEC materials) become the ion conduction and electronic lead taken over by separate elements according to the invention, namely the second solid electrolyte or the electric Ladder.

Auf diese Weise werden alle in dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum angeordneten Elektroden effizient abgeschirmt. Verunreinigungen, wie zum Beispiel Wasser oder Elektrodengifte, können nicht an die Elektrode vordringen und dort die oben beschriebene CSD-Problematik verursachen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine in dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum angeordnete Elektrode als Referenzelektrode verwendet wird. Wird eine in dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum angeordnete Elektrode als Ausbauelektrode einer Pumpzelle verwendet, so macht sich die Abschirmung positiv dadurch bemerkbar, dass keine unerwünschten Zersetzungseffekte an dieser abgeschirmten Elektrode auftreten können, was wiederum für eine Herstellung einer eindeutigen Kennlinie genutzt werden kann.On this way, all in the gas-tight sealed cavity arranged electrodes efficiently shielded. impurities such as water or electrode poisons, can not penetrate to the electrode and there the above-described CSD problem cause. This is particularly advantageous if a in the gas-tight cavity arranged as the electrode Reference electrode is used. Will one in the gas-tight closed Cavity electrode as expansion electrode of a pump cell used, the shielding is positively noticeable, that no unwanted decomposition effects on this shielded Electrode can occur, which in turn for a Production of a unique characteristic can be used.

Der mindestens eine elektrische Leiter sollte insbesondere derart ausgestaltet sein, dass dieser einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher den elektrischen Widerstand des zweiten Festelektrolyten erheblich unterschreitet, beispielsweise um mindestens eine, vorzugsweise zwei, drei oder mehr Größenordnungen. Insbesondere kann der elektrische Leiter beispielsweise einen elektrischen Widerstand von ca. 0,5 Ohm bis 5 Ohm aufweisen. Somit schließt dieser elektrische Leiter die dritte Elektrode und die vierte Elektrode vorzugsweise nahezu vollständig kurz. Alternativ sind jedoch grundsätzlich auch andere Ausgestaltungen möglich, beispielsweise Ausgestaltungen mit Widerständen zwischen einem Kiloohm und 100 Kiloohm. Vorzugsweise kann der elektrische Leiter in Form einer Leiterbahn ausgestaltet sein, welche beispielsweise in und/oder auf dem Sensorelement angeordnet sein kann, und welche vorzugsweise ein anderes Material als der Festelektrolyt aufweist. Diese mindestens eine Leiterbahn kann vorzugsweise um den zweiten Festelektrolyten herumgeführt und/oder durch den zweiten Festelektrolyten hindurchgeführt werden, also räumlich von diesem verschieden sein. Eine weitere, alternativ oder zusätzlich realisierbare Möglichkeit für den elektrischen Leiter besteht darin, ein Festelektrolytmaterial des zweiten Festelektrolyten (Ionenleiter) mit einem Metallmaterial (elektronischer Leiter) zu mischen zu einem Keramik-Metall-Kompositmaterial. Beispielsweise kann Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid mit ei nem Platinmaterial gemischt werden, beispielsweise in Form eines Cermets. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Elektrodenpaste, welche YSZ und Platin enthält, verwendet wird.Of the at least one electrical conductor should in particular be designed in this way be that it has an electrical resistance, which the electrical resistance of the second solid electrolyte considerably falls below, for example by at least one, preferably two, three or more orders of magnitude. Especially For example, the electrical conductor may be an electrical resistance from about 0.5 ohms to 5 ohms. Thus, this concludes electrical conductors, the third electrode and the fourth electrode preferably almost completely short. Alternatively, however, are In principle, other embodiments possible, For example, embodiments with resistances between a kiloohm and 100 kilohms. Preferably, the electrical Ladder be configured in the form of a conductor, which, for example can be arranged in and / or on the sensor element, and which preferably has a different material than the solid electrolyte. This at least one conductor track may preferably be around the second Solid electrolyte led around and / or through the second solid electrolyte be passed through, so spatially from this to be different. Another, alternative or additional realizable possibility for the electric The conductor is a solid electrolyte material of the second solid electrolyte (Ion conductor) with a metal material (electronic conductor) to mix to a ceramic-metal composite material. For example, yttrium-stabilized Zirconia be mixed with egg nem platinum material, for example in the form of a cermet. This can be done, for example, by that an electrode paste containing YSZ and platinum, is used.

Wie oben beschrieben, sind mehrere Möglichkeiten denkbar, den gasdicht abgeschirmten Hohlraum zur Abschirmung einer oder mehrerer Elektroden einzusetzen. Diese Möglichkeiten sind teilweise auch kombinierbar. So besteht eine Möglichkeit darin, auch die mindestens eine zweite Elektrode in dem Hohlraum anzuordnen. Dies kann beispielsweise bei einer Sprungzellenanordnung genutzt werden, bei welcher die erste elektrochemische Messzelle als Sprungzelle eingesetzt wird. Die erste Elektrode wird dann vorzugsweise dem Gas in dem Messgasraum ausgesetzt (beispielsweise über eine gasdurchlässige Schutzschicht), und die zweite Elektrode dient als Referenzelektrode, welche in dem Hohlraum angeordnet ist und durch die zweite elektrochemische Messzelle (kurzgeschlossene Nernstzelle bzw. kurzgeschlossene Brennstoffzelle) abgeschirmt wird.As described above, several possibilities are conceivable, the gastight shielded cavity for shielding one or more electrodes use. Some of these possibilities can also be combined. So there is a possibility in it, even the least to arrange a second electrode in the cavity. This can be, for example be used in a jump cell arrangement in which the first electrochemical measuring cell is used as a jump cell. The first electrode is then preferably the gas in the sample gas space exposed (for example via a gas-permeable Protective layer), and the second electrode serves as a reference electrode, which is arranged in the cavity and through the second electrochemical Measuring cell (short-circuited Nernst cell or short-circuited fuel cell) is shielded.

Bei einer Anordnung, bei welcher die erste elektrochemische Messzelle als Pumpzelle betrieben wird, ist ebenfalls ein Aufbau, bei welchem die erste Elektrode oder die zweite Elektrode in dem Hohlraum angeordnet ist, möglich. Dabei kann entweder die Einbauelektrode (z. B. die Kathode), an welcher das Messgas bzw. die zu messende Gaskomponente, in den ersten Festelektrolyten eingebaut wird, in dem Hohlraum angeordnet werden, oder es kann die Ausbauelektrode, an welcher das Messgas bzw. die nachzuweisende Gaskomponente aus dem ersten Festelektrolyten ausgebaut wird, in dem Hohlraum angeordnet sein. Im ersten Fall dient die zweite elektrochemische Messzelle dazu, Messgas in den Hohlraum nachzuliefern, wobei sich in der Regel ein leichter Partial-Unterdruck der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Hohlraum einstellt. Im zweiten Fall dient die zweite elektrochemische Messzelle dazu, überschüssiges Messgas bzw. die nachzuweisende Gaskomponente aus dem Hohlraum abzuführen, wobei sich in der Regel ein leichter Partial-Überdruck dieser Gaskomponente im Hohlraum einstellt. In dem Fall, in welchem die Ausbauelektrode in dem Hohlraum angeordnet ist, ist die Einbauelektrode vorzugsweise über eine den Strom begrenzende Diffusionsbarriere von dem Messgasraum getrennt (siehe auch unten). In beiden beschrieben Fällen dient die Abschirmung einer der beiden Elektroden der ersten elektrochemischen Messzelle insbesondere dem Zweck, unerwünschte Elektrodenreaktionen, welche die Nicht-Eindeutigkeit der Kennlinie verursachen könnten, zu vermeiden. Wird die Einbau elektrode (z. B. die Kathode) in dem gasdichten Hohlraum angeordnet, so wird beispielsweise zumindest weitgehend verhindert, dass an dieser Elektrode unerwünschte Zersetzungsreaktionen ablaufen könne, wie beispielsweise die Zersetzung von Wasser. Wird die Ausbauelektrode (z. B. die Anode) in dem Hohlraum angeordnet, so wird zumindest weitgehend verhindert, dass Brenngase wie beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe dorthin gelangen können und dort unerwünschte Elektrodenreaktionen ausführen können. In beiden Fällen wird also die Eindeutigkeit der Pumpstromkennlinie gefördert. Welche der mindestens zwei Elektroden der ersten elektrochemischen Messzelle als „Einbauelektrode" und welche als „Ausbauelektrode" fungiert, hängt von der Beschaltung dieser ersten elektrochemischen Messzelle ab, sowie von der Art des ersten Festelektrolyten und der nachzuweisenden Gasart. Bei Sauerstoffsensoren wirkt beispielsweise die Kathode, als die mit negativem Potenzial beschaltete Elektrode, als Einbauelektrode, wohingegen die Anode als Ausbauelektrode fungiert.In an arrangement in which the first electrochemical measuring cell is operated as a pumping cell, a structure in which the first electrode or the second electrode is arranged in the cavity is also possible. Either the installation electrode (eg the cathode), on which the measurement gas or the gas component to be measured is installed in the first solid electrolyte, can be arranged in the cavity, or the expansion electrode, to which the measurement gas or the detected gas component is removed from the first solid electrolyte, be arranged in the cavity. In the first case, the second electrochemical measuring cell is used to nachzuliefern measuring gas into the cavity, which is usually a slight partial negative pressure of the gas to be detected setting component in the cavity. In the second case, the second electrochemical measuring cell serves to dissipate excess measuring gas or the gas component to be detected out of the cavity, as a rule a slight partial overpressure of this gas component in the cavity. In the case in which the removal electrode is arranged in the cavity, the installation electrode is preferably separated from the measurement gas space via a diffusion barrier that delimits the current (see also below). In both cases described, the shielding of one of the two electrodes of the first electrochemical measuring cell serves in particular for the purpose of avoiding unwanted electrode reactions which could cause the characteristic to be unambiguous. If the installation electrode (eg the cathode) is arranged in the gas-tight cavity, it is for example at least largely prevented that unwanted decomposition reactions can take place at this electrode, for example the decomposition of water. If the removal electrode (for example the anode) is arranged in the cavity, it is at least largely prevented that fuel gases such as, for example, hydrogen or hydrocarbons can get there and can carry out undesired electrode reactions there. In both cases, therefore, the uniqueness of the pumping current characteristic is promoted. Which of the at least two electrodes of the first electrochemical measuring cell functions as a "mounting electrode" and which as an "expansion electrode" depends on the wiring of this first electrochemical measuring cell, as well as on the type of the first solid electrolyte and the type of gas to be detected. In the case of oxygen sensors, for example, the cathode, as the electrode connected to negative potential, acts as a mounting electrode, whereas the anode acts as an expansion electrode.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in dem gasdicht abgeschirmten Hohlraum mindestens eine Referenzelektrode anzuordnen, welche nicht identisch ist mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Dies kann beispielsweise durch ein 5-Elektroden-Sensorelement realisiert werden. Dieser Aufbau kann beispielsweise in einer Mehrzeller-Anordnung mit einer Pumpzelle und einer Nernstzelle genutzt werden, bei welcher die Referenzelektrode als Referenzelektrode der Nernstzelle fungiert. Die Pumpzelle wird in diesem Fall vorzugsweise durch die erste elektrochemische Messzelle gebildet. Die Nernstzelle kann beispielsweise durch die erste Elektrode und die Referenzelektrode gebildet werden, wobei die erste Elektrode wiederum vorzugsweise über eine Diffusionsbarriere von dem Messgasraum getrennt ist. In diesem Fall misst die Nernstzelle beispielsweise die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen dem Hohlraum und einem Elektrodenhohlraum zwischen der ersten Elektrode und der Diffusionsbarriere.A Another possibility is in the gas-tight shielded Cavity to arrange at least one reference electrode, which is not identical is with the first electrode and the second electrode. This can be realized for example by a 5-electrode sensor element. This structure may, for example, in a multi-cell arrangement be used with a pumping cell and a Nernst cell, in which the reference electrode acts as a reference electrode of the Nernst cell. The Pump cell is in this case preferably by the first electrochemical Measuring cell formed. The Nernst cell, for example, by the first electrode and the reference electrode are formed, wherein the first electrode in turn preferably via a diffusion barrier is separated from the sample gas space. In this case, the Nernst cell measures for example, the electrochemical potential difference between the cavity and an electrode cavity between the first electrode and the diffusion barrier.

Für die Ausgestaltung des gasdicht abgeschirmten Hohlraums bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann dieser beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt zumindest teilweise bauteilidentisch sind, wobei diese beispielsweise durch eine gemeinsame Festelektrolytschicht realisiert werden können. Auch eine Ausgestaltung in Form getrennter Festelektrolyt-Membranen ist jedoch denkbar.For the design of the gas-tight shielded cavity exist various possibilities. So this example be configured such that the first solid electrolyte and the second Solid electrolyte are at least partially identical to the component, wherein this example, by a common solid electrolyte layer can be realized. Also an embodiment in shape However, separate solid electrolyte membranes is conceivable.

Weiterhin kann der mindestens eine abgeschirmte Hohlraum sowohl im Inneren des Sensorelements angeordnet sein als auch auf einer Oberfläche des Sensorelements. Der Hohlraum kann dann im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein, beispielsweise zwischen mehreren Festelektrolytschichten und/oder anderen Schichtkomponenten des Schichtaufbaus, und kann somit von dem Messgasraum durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus getrennt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlraum auch auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnet sein, welche dem Messgasraum zuweist. Der Hohlraum kann dann auf dieser Oberfläche angeordnet sein und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasundurchlässige Schicht getrennt sein, welche beispielsweise lediglich durch die kurzgeschlossene Nernstzelle der zweiten elektrochemischen Messzelle unterbrochen werden kann. Auch andere Ausgestaltungen des Hohlraums sind jedoch möglich, wie beispielsweise eine Herstellung eines Hohlraums zwischen zwei zusammenlaminierten Festelektrolytfolien. Der Hohlraum sollte insbesondere mit möglichst geringem Volumen ausgeführt werden, um eine schnelle Dynamik des Sensorelements zu gewährleisten.Farther the at least one shielded cavity can be both inside be arranged of the sensor element as well as on a surface of the sensor element. The cavity can then be inside the layer structure be arranged, for example, between several solid electrolyte layers and / or other layer components of the layer structure, and can thus from the measuring gas space through at least one layer of the layer structure be separated. Alternatively or additionally, the cavity also arranged on a surface of the layer structure be, which assigns the sample gas space. The cavity can then open be arranged on this surface and of the sample gas space for example, separated by a gas-impermeable layer which, for example, only by the short-circuited Nernstzelle the second electrochemical measuring cell are interrupted can. However, other embodiments of the cavity are possible, such as making a cavity between two laminated solid electrolyte films. The cavity should be particular be carried out with the least possible volume, to ensure fast dynamics of the sensor element.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail. Show it

1 ein dem Stand der Technik entsprechender Aufbau eines als Pumpzelle betriebenen Sensorelements; 1 a prior art construction of a operated as a pump cell sensor element;

2 eine Pumpstrom-Kennlinie des in 1 dargestellten Sensorelements; 2 a pumping current characteristic of the in 1 illustrated sensor element;

3 eine erfindungsgemäße Abwandlung eines als Pumpzelle betriebenen Sensorelements; 3 a modification of a sensor operated as a pump cell sensor element according to the invention;

4 und 5 eine Gegenüberstellung der Transportprozesse in Gemischtleitern (4) und einer erfindungsgemäßen kurzgeschlossenen Nernstzelle (5) für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Sensorelement; 4 and 5 a comparison of the transport processes in mixed ladders ( 4 ) and a short-circuited Nernst cell according to the invention ( 5 ) for use in a sensor element according to the invention;

6 eine Pumpstrom-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Sensorelements; 6 a pumping current characteristic of a sensor element according to the invention;

7 ein zu 3 alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit einem auf der Sensoroberfläche angeordneten Hohlraum; 7 one too 3 alternative embodiment of a sensor element according to the invention with a arranged on the sensor surface cavity;

8 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit innen liegenden Elektroden; 8th a further alternative embodiment of a sensor element according to the invention with internal electrodes;

9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit außen liegenden Elektroden; 9 a further embodiment of a sensor element according to the invention with external electrodes;

10 ein zu 9 alternatives Ausführungsbeispiel mit einer kurzgeschlossenen Nernstzelle in Form eines Kompositmaterials; 10 one too 9 alternative embodiment with a shorted Nernst cell in the form of a composite material;

11 ein Ausführungsbeispiel eines als Sprungzelle betreibbaren erfindungsgemäßen Sensorelements; und 11 an exemplary embodiment of a sensor element which can be operated as a jump cell according to the invention; and

12 ein Ausführungsbeispiel eines als doppelzellige Breitbandzelle betreibbaren erfindungsgemäßen Sensorelements. 12 an embodiment of a double-celled wideband cell operable according to the invention sensor element.

In 1 ist ein dem Stand der Technik entsprechendes Sensorelement 110 dargestellt, welches in dem gezeigten Aufbau als Breitband-Sensorelement genutzt werden kann und, beispielsweise im Grenzstrombetrieb, eine Sauerstoffkonzentration in einem Messgasraum 112 messen kann. Derartige Sensorelemente 110 werden häufig auch als Proportionalsensoren oder LSPs (LSP: Lambdasonde proportional) bezeichnet.In 1 is a prior art sensor element 110 represented, which can be used in the construction shown as a broadband sensor element and, for example, in the limiting current operation, an oxygen concentration in a sample gas space 112 can measure. Such sensor elements 110 are often referred to as proportional sensors or LSPs (LSP: lambda probe proportional).

Das Sensorelement 110 weist eine erste Elektrode 114 auf, welche im Inneren des Sensorelements 110 in einem Kathodenhohlraum 116 angeordnet ist. Die Bezeichnung „Kathodenhohlraum" ist dabei hier und im Folgenden unabhängig davon gewählt, wie die erste Elektrode 114 elektrisch beschaltet wird, so dass allgemein auch von einem „Elektrodenhohlraum" gesprochen werden könnte. Dabei ist der Kathodenhohlraum 116 in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig um ein Gaszutrittsloch 118 angeordnet, durch welches Gas aus dem Messgasraum 112 in den Kathodenhohlraum 116 gelangen kann. Die erste Elektrode 116 ist dabei mehrteilig ausgebildet, mit jeweils an der Oberseite und an der Unterseite des Kathodenhohlraums 116 angeordneten, elektrisch miteinander verbundenen Teilelektroden. Der Kathodenhohlraum 116 ist vom Gaszutrittsloch 118 durch eine Diffusionsbarriere 120 abgeschirmt, welche den Gaszutritt begrenzt. Diese Diffusionsbarriere 120 kann beispielsweise aus einem porösen, dichten Material hergestellt sein, wie beispielsweise einem Aluminiumoxid-Material.The sensor element 110 has a first electrode 114 on which inside the sensor element 110 in a cathode cavity 116 is arranged. The term "cathode cavity" is chosen here and below independently of how the first electrode 114 is electrically connected, so that in general could also be spoken of an "electrode cavity." Here is the cathode cavity 116 in this embodiment, annular around a gas inlet hole 118 arranged, through which gas from the sample gas space 112 in the cathode cavity 116 can get. The first electrode 116 is formed in several parts, each with the top and bottom of the cathode cavity 116 arranged, electrically interconnected sub-electrodes. The cathode cavity 116 is from the gas entry hole 118 through a diffusion barrier 120 shielded, which limits the gas access. This diffusion barrier 120 For example, it may be made of a porous, dense material, such as an alumina material.

Auf der Oberseite des Sensorelements 110, also der dem Messgasraum 112 zugewandten Seite, ist eine zweite Elektrode 122 angeordnet. Diese zweite Elektrode 122 ist ebenfalls in Radialanordnung um das Gaszutrittsloch 118 ausgestaltet. Zwischen der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 122 befindet sich ein Festelektrolyt 124, beispielsweise eine Schicht eines Yttrium-stabilisierten Zirkondioxids, YSZ. Dieser Festelektrolyt 124 hat Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften, wohingegen die Elektronen-leitenden Eigenschaften dieses Festelektrolytmaterials vernachlässigbar sind.On top of the sensor element 110 , so the the measuring gas space 112 facing side, is a second electrode 122 arranged. This second electrode 122 is also in radial arrangement around the gas inlet hole 118 designed. Between the first electrode 114 and the second electrode 122 there is a solid electrolyte 124 For example, a layer of yttria-stabilized zirconia, YSZ. This solid electrolyte 124 has oxygen ion-conducting properties, whereas the electron-conductive properties of this solid electrolyte material are negligible.

Die erste Elektrode 114, der Festelektrolyt 124 und die zweite Elektrode 122 bilden gemeinsam eine elektrochemische Messzelle 126. Die zweite Elektrode 122 ist vom Messgasraum 112 durch eine Schutzschicht 128 getrennt, welches gasdurchlässig ist und einen Ausbau von Sauerstoff an der zweiten Elektrode 122 ermöglicht, welche jedoch die zweite Elektrode 122 gegenüber Verunreinigungen schützt. Beispielsweise kann dieses Schutzschicht 128 ein hochporöses keramisches Material aufweisen, wie beispielsweise ein Al2O3-Material.The first electrode 114 , the solid electrolyte 124 and the second electrode 122 together form an electrochemical measuring cell 126 , The second electrode 122 is from the sample gas chamber 112 through a protective layer 128 separated, which is gas permeable and an expansion of oxygen at the second electrode 122 allows, but which the second electrode 122 protects against contamination. For example, this protective layer 128 have a highly porous ceramic material, such as an Al 2 O 3 material.

Das gesamte Sensorelement 110 gemäß 1 ist in einem Schichtaufbau hergestellt und kann vorzugsweise mehrere weitere Schichten umfassen, beispielsweise Schichten aus isolierenden Materialien und/oder weitere Festelektrolytschichten. Zudem weist das Sensorelement 110 ein Heizelement 130 auf, mittels dessen eine optimale Betriebstemperatur eingestellt werden kann. Beispielsweise kann diese Betriebstemperatur auf 500 bis 800° eingestellt werden, um optimale Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften des Festelektrolyten 124 einzustellen und/oder um die Diffusionseigenschaften der Diffusionsbarriere 120 auf einen gewünschten Wert einzustellen.The entire sensor element 110 according to 1 is produced in a layer structure and may preferably comprise a plurality of further layers, for example layers of insulating materials and / or further solid electrolyte layers. In addition, the sensor element has 110 a heating element 130 on, by means of which an optimum operating temperature can be adjusted. For example, this operating temperature can be adjusted to 500 to 800 ° to optimum oxygen ion-conducting properties of the solid electrolyte 124 adjust and / or the diffusion properties of the diffusion barrier 120 to set to a desired value.

In dem in 1 dargestellten typischen Breitbandsonden-Aufbau wird zwischen die erste Elektrode 114 und die zweite Elektrode 122 eine Pumpspannung Up gelegt. Diese Pumpspannung Up kann zeitlich konstant sein, kann jedoch auch zeitlich variabel ausgestaltet werden. Dabei wird die erste Elektrode 114 als Kathode betrieben und auf Massepotential gelegt, wohingegen die zweite Elektrode 122 als Anode betrieben wird. Der Pumpstrom Ip, welcher zwischen erster Elektrode 114 und zweiter Elektrode 122 fließt, wird dabei gemessen. Dieser Strom kommt dadurch zustande, dass an der Kathode im Kathodenhohlraum 116 vorhandener Sauerstoff in Form von Sauerstoffionen in den Festelektrolyten 124 eingebaut wird, zur Anode 122 wandert und dort wieder freigesetzt wird. Beide Elektroden 114, 122 sind somit dem Gas des Messraums 112 ausgesetzt. Typischerweise wird das Sensorelement 110 derart betrieben, dass der Pumpstrom Ip durch die Diffusionsbarriere 120 limitiert ist, was als Grenzstrombetrieb bezeichnet wird. Typische Pumpspannungen liegen im Bereich von 500 mV.In the in 1 shown typical broadband probe assembly is between the first electrode 114 and the second electrode 122 put a pumping voltage U p . This pumping voltage U p can be constant in time, but can also be designed variable in time. This is the first electrode 114 operated as a cathode and placed at ground potential, whereas the second electrode 122 is operated as an anode. The pumping current I p , which between the first electrode 114 and second electrode 122 flows is measured. This current is due to the fact that at the cathode in the cathode cavity 116 existing oxygen in the form of oxygen ions in the solid electrolyte 124 is installed, to the anode 122 migrates and is released there again. Both electrodes 114 . 122 are thus the gas of the measuring room 112 exposed. Typically, the sensor element becomes 110 operated such that the pumping current I p through the diffusion barrier 120 is limited, which is referred to as a limiting current operation. Typical pump voltages are in the range of 500 mV.

In 2 ist eine typische Pumpstromkennlinie eines Sensorelements 110 gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise gemäß der Anordnung in 1, dargestellt. Dabei ist der Pumpstrom Ip gegen die Luftzahl λ aufgetragen. Alternativ könnte der Pumpstrom auch gegen den Sauerstoff-Partialdruck im Messgasraum 112 aufgetragen werden.In 2 is a typical pumping current characteristic of a sensor element 110 according to the prior art, for example according to the arrangement in 1 represented. In this case, the pumping current I p is plotted against the air ratio λ. Alternatively, the pumping current could also against the partial pressure of oxygen in the sample gas space 112 be applied.

Die Kennlinie in 2 verdeutlicht, das eingangs bereits beschriebene Nichteindeutigkeits-Phänomen im leicht mageren und fetten Bereich. Dabei ist der magere Bereich (λ > 1) in 2 mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet, wohingegen der fette Bereich (λ < 1) in 2 mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet ist.The characteristic in 2 illustrates the non-uniqueness phenomenon already described at the beginning in the slightly lean and rich region. The lean region (λ> 1) is in 2 with the reference number 132 whereas the rich region (λ <1) in 2 with the reference number 134 is designated.

Wie an der durchgezogenen Kennlinie im mageren Bereich 132 zu erkennen ist, tritt in diesem Bereich ein positiver Pumpstrom auf, welcher einen eindeutigen Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Abgases aufweist. Im fetten Abgas (Bereich 134) kommt es jedoch aufgrund der Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers an der Kathode auch zu einem positiven Pumpstrom. Die angelegte Pumpspannung Up liegt zwar üblicherweise deutlich unter der Zersetzungsspannung des Wassers, da jedoch Wasserstoff im Abgas vorhanden ist, wird die Wasser-Zersetzung energetisch möglich, denn an der gegenüberliegenden Elektrode wird Wasser erzeugt. Der Strom ist also im fetten Bereich 134 durch den Wasserstoffgehalt (Fettgase) begrenzt. Da dieser Fett-Pumpstrom dieselbe Richtung hat wie der Mager-Pumpstrom, ist aufgrund der Zweideutigkeit der Kennlinie ein Schluss vom Pumpstrom Ip auf die Abgaszusammensetzung in der Regel nicht mehr eindeutig möglich. Zudem treten im Bereich nahe λ = 1 Abweichungen von der Linerarität auf, welche eine Zuordnung im leicht mageren Bereich weiter erschweren.As in the solid curve in the lean area 132 can be seen, occurs in this area a positive pumping current, which has a clear relationship to the oxygen content of the exhaust gas. In the rich exhaust gas (area 134 However, it comes due to the decomposition of the water contained in the exhaust gas at the cathode also to a positive pumping current. Although the applied pumping voltage U p is usually well below the decomposition voltage of the water, but since hydrogen is present in the exhaust gas, the water decomposition is energetically possible, because water is generated at the opposite electrode. The current is therefore in the rich range 134 limited by the hydrogen content (fat gases). Since this fat pumping current has the same direction as the lean pumping current, a conclusion of the pumping current I p on the exhaust gas composition is generally no longer clearly possible due to the ambiguity of the characteristic curve. In addition, deviations from the linearity occur in the region near λ = 1, which further complicates assignment in the slightly lean region.

In 3 ist hingegen ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110 dargestellt, welches die in 2 dargestellte Problematik zumindest weitgehend vermeidet. Ein Grundgedanke dieses Aufbaus besteht darin, die erste Elektrode 114 in einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum 138 anzuordnen. Ansonsten entspricht der Aufbau der elektrochemischen Messzelle 126 wieder weitgehend dem Aufbau gemäß 1, wobei diese elektrochemische Messzelle 126 jetzt jedoch eine erste elektrochemische Messzelle 140 bildet. Der Festelektrolyt 124 zwi schen der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 122 bildet in diesem Fall einen ersten Festelektrolyten 142. Die zweite Elektrode 122 kann unmittelbar dem Gas im Messgasraum 112 ausgesetzt sein oder kann, ähnlich zu 1, wiederum eine Schutzschicht 128 aufweisen (in 3 nicht gezeigt).In 3 on the other hand is a sensor element according to the invention 110 represented, which the in 2 illustrated problematic at least largely avoids. A basic idea of this structure is the first electrode 114 in a gas-tight cavity 138 to arrange. Otherwise, the structure of the electrochemical measuring cell corresponds 126 again largely according to the structure 1 , wherein this electrochemical measuring cell 126 but now a first electrochemical measuring cell 140 forms. The solid electrolyte 124 between the first electrode 114 and the second electrode 122 forms in this case a first solid electrolyte 142 , The second electrode 122 can directly the gas in the sample gas space 112 be exposed or may be similar to 1 , again a protective layer 128 have (in 3 Not shown).

Im Unterschied zum Aufbau gemäß 1 ist der Kathodenhohlraum 116, welcher in diesem Beispiel identisch ist mit dem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum 138, jedoch nicht über ein Gaszutrittsloch 118 und eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 112 verbunden, sondern von diesem abgeschlossen.In contrast to the structure according to 1 is the cathode cavity 116 , which in this example is identical to the gas-tight cavity 138 but not via a gas access hole 118 and a diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 112 connected but completed by this.

Zusätzlich zu der ersten elektrochemischen Messzelle 140 weist der Aufbau des Sensorelements 110 gemäß 3 jedoch weiterhin eine zweite elektrochemische Messzelle 144 auf. Diese zweite elektrochemische Messzelle 144 umfasst eine auf dem Festelektrolyten 124, welcher nunmehr für die zweite elektrochemische Messzelle 144 als zweiter Festelektrolyt 146 fungiert, angeordnete dritte Elektrode 148, welche ebenfalls dem abgeschlossenen Hohlraum 138 zuweist, sowie eine vierte Elektrode 150, welche auf der Oberseite des zweiten Festelektrolyten 146 angeordnet ist und somit dem Messgasraum 112 zuweist. Die vierte Elektrode 150 kann von dem Messgasraum 112 zusätzlich durch eine Diffusionsbarriere 152 getrennt sein, welche beispielsweise ähnliche Eigenschaften aufweisen kann wie die Diffusionsbarriere 120 in 1.In addition to the first electrochemical measuring cell 140 has the structure of the sensor element 110 according to 3 but still a second electrochemical measuring cell 144 on. This second electrochemical measuring cell 144 includes one on the solid electrolyte 124 , which now for the second electrochemical measuring cell 144 as a second solid electrolyte 146 acts, arranged third electrode 148 , which also the closed cavity 138 assigns, as well as a fourth electrode 150 which is on top of the second solid electrolyte 146 is arranged and thus the sample gas space 112 assigns. The fourth electrode 150 can from the sample gas space 112 additionally by a diffusion barrier 152 be separated, which may for example have similar properties as the diffusion barrier 120 in 1 ,

Weiterhin sind die dritte Elektrode 148 und die vierte Elektrode 150 durch einen elektrischen Leiter 154 elektrisch miteinander verbunden, wobei dieser elektrischer Leiter 154 einen derart geringen Widerstand aufweisen kann, dass die beiden Elektroden 148, 150 kurzgeschlossen sind. Die zweite elektrochemische Messzelle 144 bildet also eine kurzgeschlossene Nernstzelle oder Brennstoffzelle. Diese Begriffe werden hier und im Folgenden synonym verwendet.Furthermore, the third electrode 148 and the fourth electrode 150 through an electrical conductor 154 electrically connected to each other, said electrical conductor 154 can have such a low resistance that the two electrodes 148 . 150 are shorted. The second electrochemical measuring cell 144 thus forms a short-circuited Nernst cell or fuel cell. These terms are used synonymously here and below.

Die Beschaltung des Sensorelements 110 kann beispielsweise wiederum ähnlich zum Aufbau in 1 erfolgen. In diesem Fall wirkt wiederum die zweite Elektrode 122 als Anode des Sensorelements 110 und liegt im Gas des Messgasraums 112 (zum Beispiel einem Abgas einer Brennkraftmaschine) bzw. ist von diesem optional durch eine Schutzschicht 128 getrennt. Die erste Elektrode 114 wird als Kathode betrieben und liegt im gasdichten Hohlraum 138. Es wird wieder eine Pumpspannung Up von vorzugsweise ca. 500 mV angelegt, mit welcher Sauerstoff aus dem gasdichten Hohlraum 138 fast vollständig abgepumpt wird (Evakuierung). Die Pumpspannung Up kann dabei wiederum beispielsweise zeitlich konstant sein, kann jedoch wieder auch zeitlich variabel ausgestaltet werden. Zusätzlich befindet sich in dem gasdichten Hohlraum 138 die dritte Elektrode 148, welche als Anode der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 dient. Als Kathode dieser kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 fungiert die vierte Elektrode 150, welche durch die optionale Diffusionsbarriere 152 vom Messgasraum 112 getrennt ist.The wiring of the sensor element 110 For example, in turn similar to the structure in 1 respectively. In this case, in turn, the second electrode acts 122 as the anode of the sensor element 110 and lies in the gas of the sample gas space 112 (For example, an exhaust gas of an internal combustion engine) or is optionally of this by a protective layer 128 separated. The first electrode 114 is operated as a cathode and lies in the gas-tight cavity 138 , It is again applied a pumping voltage U p of preferably about 500 mV, with which oxygen from the gas-tight cavity 138 almost completely pumped out (evacuation). The pumping voltage U p may in turn be constant over time, but may again be configured variable in time. In addition, located in the gas-tight cavity 138 the third electrode 148 , which as the anode of the short-circuited fuel cell 144 serves. As the cathode of this short-circuited fuel cell 144 the fourth electrode acts 150 passing through the optional diffusion barrier 152 from the sample gas chamber 112 is disconnected.

Sobald Sauerstoff aus dem Abgas an die Kathode der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle (vierte Elektrode 150) gelangt, entsteht aufgrund des Partialdruckunterschieds zum gasdichten Hohlraum 138 (in welchem beispielsweise λ < 1 vorliegt) gemäß der Nernstschen Gleichung eine elektrische Spannung zwischen der Brennstoffzellen-Kathode (vierte Elektrode 150) und der Brennstoffzellen-Anode (dritte Elektrode 148). Da die Brennstoffzelle 144 kurzgeschlossen ist, wird der Sauerstoff von der Kathode (hier die vierte Elektrode 150) zur Anode (hier die dritte Elektrode 148) in den abgeschlossenen Hohlraum 138 gepumpt. Dort wird der Sauerstoff unmittelbar an der Kathode (hier die erste Elektrode 114) der ersten elektrochemischen Messzelle 140 wieder reduziert und zur Anode dieser ersten elektrochemischen Messzelle (hier die zweite Elektrode 122), das heißt zum Messgasraum 112, hinausgepumpt. Der Strom durch die erste elektrochemische Messzelle 140 ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die Proportionalitätskonstante wird durch die Diffusionsbarriere 152 über der Kathode (vierte Elektrode 150) der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 bestimmt. Da die kurzgeschlossene Brennstoffzelle 144 vorzugsweise im Grenzstrombetrieb arbeiten kann, bestimmt lediglich die Diffusionsbarriere 152 den Transport, d. h. sie muss in der Regel nicht unterschiedlich zum in 1 dargestellten Aufbau dimensioniert werden. Um den Diffusionsstrom ausreichend niedrig zu halten, sollte die Diffusionsbarriere 152 entweder sehr dicht ausgeführt oder teilweise durch eine Isolationsschicht oder ähnliches abgedeckt sein. Zudem müssen die Elektroden, insbesondere die Kathode der ersten elektrochemischen Messzelle 140 (erste Elektrode 114) hinreichend groß ausgeführt sein, um die Pumpfähigkeit der ersten elektrochemischen Messzelle 140 auch bei großen Strömen zu gewährleisten. Ferner muss der Hohlraum 138 mit möglichst geringem Volumen ausgeführt werden, um eine schnelle Dynamik zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Dimensionierung der Elektroden, insbesondere der ersten Elektrode 114, und die Dimensionierung des Hohlraumes 138, analog zur Dimensionierung der Pumpelektroden 114, 122 bzw. des Kathodenhohlraums 116 in 1 ausgestaltet werden.As soon as oxygen from the exhaust gas to the cathode of the short-circuited fuel cell (fourth electrode 150 ), arises due to the partial pressure difference to the gas-tight cavity 138 (in which, for example, λ <1) according to the Nernst equation, an electric voltage between the fuel cell cathode (fourth electrode 150 ) and the fuel cell anode (third electrode 148 ). Because the fuel cell 144 shorted, the oxygen from the cathode (here the fourth electrode 150 ) to the anode (here the third electrode 148 ) in the closed cavity 138 pumped. There, the oxygen is directly at the cathode (here the first electrode 114 ) of the first electrochemical measuring cell 140 again reduced and to the anode of this first electrochemical measuring cell (here the second electrode 122 ), that is to the sample gas space 112 pumped out. The current through the first electrochemical measuring cell 140 is proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas. The proportionality constant is determined by the diffusion barrier 152 above the cathode (fourth electrode 150 ) of the short-circuited fuel cell 144 certainly. Because the short-circuited fuel cell 144 preferably can operate in limit current operation, determined only the diffusion barrier 152 the transport, ie it usually does not differ from the in 1 dimensioned structure can be dimensioned. In order to keep the diffusion current sufficiently low, the diffusion barrier should 152 either very tight or partially covered by an insulating layer or the like. In addition, the electrodes, in particular the cathode of the first electrochemical measuring cell 140 (first electrode 114 ) be sufficiently large to the pumping ability of the first electrochemical measuring cell 140 to ensure even at high currents. Furthermore, the cavity needs 138 be performed with the least possible volume to ensure a fast dynamics. For example, the dimensioning of the electrodes, in particular the first electrode 114 , and the sizing of the cavity 138 , analogous to the dimensioning of the pumping electrodes 114 . 122 or the cathode cavity 116 in 1 be designed.

Falls Fettgas (das heißt reduzierbare Gase, wie beispielsweise H2 oder Kohlenwasserstoffe) aus dem Abgas des Messgasraums 112 an die Kathode (vierte Elektrode 150) der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 gelangt, fällt die elektrische Spannung zwischen Brennstoffzellen-Kathode 150 und Brennstoffzellen-Anode (dritte Elektrode 148) unmittelbar zusammen, da sowohl an der Kathode 150 als auch an der Anode 148 eine verschwindende Sauerstoffkonzentration vorliegt. Damit kommt die Nachlieferung von Sauerstoff in den gasdichten Hohlraum 138 zum Erliegen, und der Pumpstrom Ip der ersten elektrochemischen Messzelle 140 fällt praktisch vollständig auf Null ab. Das Sensorelement 110 weist somit eine eindeutige Pumpstrom-Kennlinie Ip (λ) auf, welche in 6 (im Vergleich zur 2) schematisch dargestellt ist. Das Sensorelement 110 kann somit aufgrund seiner eindeutigen Kennlinie auch als Sensorelement 110 für Mager-Systeme eingesetzt werden. Das Sensorelement 110 gemäß 3 hat somit insbesondere gegenüber Proportionalzählern mit Luftreferenz den Vorteil, dass die Kennlinie im Fettgasbereich völlig auf den Wert Null zurückgeht und keine Restströme verbleiben. Zudem entfällt der Druck eines Referenzgaskanals. Die Pumpspannung Up kann niedriger gewählt werden, was Vorteile hinsichtlich einer verringerten Querempfindlichkeit gegenüber Wasser im Abgas bietet. Ferner erfährt die Kathode 114 der ersten elektrochemischen Messzelle 140 in der Regel keinen Gaswechsel, das heißt keine Doppelschichtumladung, was sich günstig auf die Dynamik des Sensorelements 110 auswirken kann.If fat gas (that is reducible gases, such as H 2 or hydrocarbons) from the exhaust gas of the sample gas space 112 to the cathode (fourth electrode 150 ) of the short-circuited fuel cell 144 passes, the electrical voltage between the fuel cell cathode drops 150 and fuel cell anode (third electrode 148 ) directly together, as both at the cathode 150 as well as at the anode 148 there is a vanishing oxygen concentration. This brings the subsequent delivery of oxygen in the gas-tight cavity 138 to stop, and the pumping current I p of the first electrochemical measuring cell 140 falls almost completely to zero. The sensor element 110 thus has a unique pump current characteristic I p (λ), which in 6 (in comparison to 2 ) is shown schematically. The sensor element 110 can thus also be used as a sensor element due to its unique characteristic 110 be used for lean systems. The sensor element 110 according to 3 Thus, in particular compared to proportional counters with air reference the advantage that the characteristic in the rich gas range goes back to zero completely and no residual currents remain. In addition, eliminates the pressure of a reference gas channel. The pumping voltage U p can be chosen lower, which offers advantages in terms of a reduced cross-sensitivity to water in the exhaust gas. Furthermore, the cathode undergoes 114 the first electrochemical measuring cell 140 usually no gas exchange, that is, no double layer transfer, which is beneficial to the dynamics of the sensor element 110 can affect.

In den 4 und 5 soll die Funktionsweise der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 in 3 sowie auch bei anderen vorgeschlagenen Sensorelementen 110 mit abgeschlossenem Hohlraum 138 modellhaft mit ihren mikroskopischen Prozessen erläutert werden. Dabei ist die kurzgeschlossene Brennstoffzelle 144 in 5 dargestellt und wird einem anderen Funktionsprinzip, nämlich dem in 4 dargestellten Funktionsprinzip eines Gemischtleiters (Mixed Ionic-Electronic Conductor MIEC) 156 gegenübergestellt.In the 4 and 5 should the functioning of the short-circuited fuel cell 144 in 3 as well as other proposed sensor elements 110 with closed cavity 138 modeled with their microscopic processes are explained. Here is the short-circuited fuel cell 144 in 5 is shown and is another working principle, namely the in 4 illustrated functional principle of a mixed conductor (Mixed Ionic-Electronic Conductor MIEC) 156 compared.

Analog zu 3 ist jeweils in beiden Figuren (4 und 5) angenommen, dass der abgeschlossene Hohlraum 138 sich unterhalb des zu erläuternden Elements (MIEC-Material 156 in 4 bzw. zweite elektrochemische Messzelle 144 in 5) befindet, wohingegen sich der Messgasraum 112 oberhalb befindet. Es sei angenommen, dass im Messgasraum 112 der Sauerstoff-Partialdruck pO2* einstellt, wohingegen sich im abgeschlossenen Hohlraum 138 der Sauerstoff-Partialdruck pO2** einstellt, welcher kleiner ist als der Sauerstoff-Partialdruck pO2*.Analogous to 3 is in both figures ( 4 and 5 ) assumed that the closed cavity 138 below the element to be explained (MIEC material 156 in 4 or second electrochemical measuring cell 144 in 5 ), whereas the sample gas space 112 located above. It is assumed that in the sample gas chamber 112 the oxygen partial pressure p O2 * sets, whereas in the closed cavity 138 the oxygen partial pressure p O2 ** sets, which is smaller than the oxygen partial pressure p O2 *.

Ein MIEC-Material 156 weist intrinsisch sowohl Ionen-leitende, insbesondere Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften als auch Elektronen-leitende Eigenschaften auf, welche sich typischerweise in der gleichen Größenordnung bewegen oder maximal um ca. eine Größenordnung unterscheiden. MIEC-Materialien sind aus dem Bereich der Lambdasonden schon aus anderen Anwendungen bekannt, wie beispielsweise aus DE 43 43 748 , US 5,543,025 oder US 2004/0183055 A1 . Beispielsweise können dotierte Oxidkeramiken, wie beispielsweise Oxidkeramiken auf Perovskitbasis und/oder Fluoritbasis, auf Zirkondioxid oder Cerdioxid basierende Oxidkeramiken oder ähnliche Keramiken als MIEC-Materialien eingesetzt werden. Dabei werden, wie durch die Reaktionsgleichungen in 4 dargestellt ist, auf Seiten des Messgasraums 112 (Sauerstoffpartialdruckhoch) Sauerstoffmoleküle disoziiert und in Oxidationsleerstellen des Gitters des MIEC-Materials 156 (in 4 symbolisch mit V •• / O dargestellt) eingebaut. Oxidionen auf regulären Gitterplätzen des Oxidionenuntergitters sind dabei in 4 symbolisch mit O X / O bezeichnet. Die dargestellte Nomenklatur wird auch als Kröger-Vink-Nomenklatur bezeichnet. Für diese Reaktion werden entsprechend zwei Elektronen benötigt.A MIEC material 156 intrinsically has both ion-conducting, in particular oxygen-ion-conducting properties as well as electron-conducting properties, which typically move in the same order of magnitude or at most differ by about one order of magnitude. MIEC materials are known from the field of lambda probes already from other applications, such as DE 43 43 748 . US 5,543,025 or US 2004/0183055 A1 , For example, doped oxide ceramics, such as perovskite-based and / or fluorite-based oxide ceramics, zirconia-based or ceria-based oxide ceramics, or similar ceramics may be used as MIEC materials. In doing so, as shown by the reaction equations in 4 is shown on Sei th of the sample gas space 112 (Oxygen partial pressure high) oxygen molecules dissociated and into oxidation vacancies of the lattice of the MIEC material 156 (in 4 symbolically symbolized with V •• / O). Oxidions on regular lattice sites of the oxide ion sublattice are in 4 symbolically designated OX / O. The illustrated nomenclature is also referred to as Kröger-Vink nomenclature. For this reaction two electrons are needed.

Die umgekehrte Reaktion, bei welcher Sauerstoff-Moleküle aus dem MIEC-Material 156 ausgebaut und an den abgeschirmten Hohlraum 138 abgegeben werden, ist in 4 unterhalb des MIEC-Materials 156 symbolisch dargestellt. Damit beide Reaktionen ablaufen können, ist ein gegenläufiger Transport von Elektronen (e) und Sauerstoffionen (O2–) durch das MIEC-Material 156 erforderlich.The reverse reaction involving oxygen molecules from the MIEC material 156 removed and attached to the shielded cavity 138 is delivered in 4 below the MIEC material 156 symbolically represented. For both reactions to occur, there is an opposite transport of electrons (e - ) and oxygen ions (O 2- ) by the MIEC material 156 required.

Im Gegensatz dazu sind bei der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle bzw. Nernstzelle 144 in 5 die Elektronen-leitenden Funktionen und die Sauerstoffionen-leitenden Funktionen getrennt und werden durch unterschiedliche Materialien wahrgenommen. Erstere Funktion (Elektronenleitung) wird von dem elektrischen Leiter 154 übernommen, letztere Funktion (Ionenleitung, insbesondere Sauerstoffionenleitung) vom Festelektrolyten 124, 146. Die beim Einbau des Sauerstoff auf Seiten des Messgasraums 112 (hoher Sauerstoffpartialdruck) ablaufende Einbaureaktion bzw. die auf Seiten des abgeschlossenen Hohlraums 138 (niedriger Sauerstoffpartialdruck) ablaufende Ausbaureaktion verläuft weitgehend identisch zu 4. Im Unterschied hierzu kann jedoch dasselbe Festelektrolyt-Material verwendet werden, welches beispielsweise auch für die erste elektrochemische Messzelle 140 in 3 eingesetzt wird. Beispielsweise kann wiederum Yttrium-stabilisierte Zirkondioxid eingesetzt werden. Dies führt dazu, dass, wie in 3 gezeigt, der erste Festelektrolyt 142 und der zweite Festelektrolyt 146 auch durch ein und dieselbe Festelektrolyt-Schicht 124 realisiert werden können. Somit ist keine Einführung neuer Materialien in den Schichtaufbau erforderlich, welche einen umfangreichen neuen Materialtest erforderlich machen würden und welche den Material- und Herstellungsaufwand des Sensorelements 110 erhöhen würden. Es werden lediglich bekannte Materialien, wie beispielsweise YSZ und Metalle wie beispielsweise Platin oder ein anderes Metall, verwendet, welche ohnehin im Sensorelement 110 verbaut sind und daher keiner weiteren Erforschung oder Entwicklung bedürfen.In contrast, in the case of the short-circuited fuel cell or Nernst cell 144 in 5 the electron-conducting functions and the oxygen-ion-conducting functions are separated and are perceived by different materials. The former function (electron conduction) is provided by the electrical conductor 154 adopted, the latter function (ionic conduction, especially oxygen ion conduction) from the solid electrolyte 124 . 146 , The during the installation of the oxygen on the side of the sample gas chamber 112 (high oxygen partial pressure) expiring installation reaction or on the side of the closed cavity 138 (Low oxygen partial pressure) running expansion reaction proceeds largely identical to 4 , In contrast, however, the same solid electrolyte material can be used, which, for example, also for the first electrochemical measuring cell 140 in 3 is used. For example, again yttrium-stabilized zirconia can be used. This causes, as in 3 shown, the first solid electrolyte 142 and the second solid electrolyte 146 also by one and the same solid electrolyte layer 124 can be realized. Thus, no introduction of new materials in the layer structure is required, which would require a comprehensive new material test and which the material and manufacturing costs of the sensor element 110 would increase. There are only known materials, such as YSZ and metals such as platinum or another metal used, which in any case in the sensor element 110 and therefore no further exploration or development is required.

Kern der kurzgeschlossenen Brennstoffzelle 144 bzw. kurzgeschlossenen Nernstzelle ist es, dass über den Festelektrolyten 146, welcher quasi als Membran fungiert, zwar ein Sauerstoffaustausch zwischen dem Messgasraum 112 und dem abgeschlossenen Hohlraum 138 erfolgen kann, sich aber in der Regel ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen diesen Räumen 112, 138 nicht einstellen kann. Auf diese Weise kann in dem Hohlraum 138 auch ein leicht erhöhter oder erniedrigter Sauerstoffpartialdruck im Vergleich zur Umgebung 112 hergestellt werden. Des Weiteren können Verunreinigungen wie zum Beispiel Wasser oder Elektrodengifte nicht an die im Hohlraum 138 angeordneten Elektroden 148, 114 vordringen. Auf diese Weise ist sowohl die Nichteindeutigkeitsproblematik (siehe oben) als auch eine Vergiftungs- oder CSD-Problematik (siehe hierzu insbesondere die Beispiele in den 11 und 12) wirkungsvoll vermindert.Core of the short-circuited fuel cell 144 or short-circuited Nernst cell is that over the solid electrolyte 146 , which acts as a kind of membrane, although an oxygen exchange between the sample gas space 112 and the closed cavity 138 can be done, but usually a thermodynamic equilibrium between these spaces 112 . 138 can not adjust. In this way, in the cavity 138 also a slightly increased or decreased oxygen partial pressure compared to the environment 112 getting produced. Furthermore, impurities such as water or electrode poisons can not adhere to those in the cavity 138 arranged electrodes 148 . 114 penetrate. In this way, both the non-uniqueness problem (see above) and a poisoning or CSD problem (see especially the examples in the 11 and 12 ) is effectively reduced.

In den 7 bis 10 sind weitere Ausführungsbeispiele von Sensorelementen 110 im Pumpzellen-Betrieb dargestellt, welche sich das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Prinzip weiter zunutze machen. Diese Darstellungen zeigen insbesondere auch, dass es vorteilhaft sein kann, die erste Elektrode 114 oder die zweite Elektrode 122 der ersten elektrochemischen Messzelle 140 in einem bzw. mehreren gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen 138 anzuordnen.In the 7 to 10 are further embodiments of sensor elements 110 shown in pump cell operation, which continue to exploit the inventive principle described above. In particular, these illustrations also show that it may be advantageous to use the first electrode 114 or the second electrode 122 the first electrochemical measuring cell 140 in one or more gas-tight cavities 138 to arrange.

In 7 ist ein zu 3 alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem alle Elektroden auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnet sind, welcher den Messgasraum 112 zuweist. Diese Anordnung kann den Aufbau des Sensorelements 110 vereinfachen.In 7 is one too 3 illustrated alternative embodiment, in which all the electrodes are arranged on a surface of the layer structure, which the measuring gas space 112 assigns. This arrangement may be the structure of the sensor element 110 simplify.

Dieser Aufbau zeigt, dass die Elektroden der elektrochemischen Messzellen 140, 144 einander nicht notwendigerweise auf gegenüberliegenden Seiten der bzw. des Festelektrolyten 124, 142, 146 gegenüberliegen müssen, sondern dass diese auch parallel in einer Ebene angeordnet sein können, mit beispielsweise darunter liegendem Festelektrolyten.This construction shows that the electrodes of the electrochemical measuring cells 140 . 144 not necessarily on opposite sides of the solid electrolyte 124 . 142 . 146 must be opposite, but that they can also be arranged in parallel in a plane with, for example underlying solid electrolyte.

Der gasdicht abgeschlossene Hohlraum 138 in dem Ausführungsbeispiel des Sensorelements 110 gemäß 7 wird beispielsweise dadurch realisiert, dass auf die Oberfläche des Festelektrolyten 124 eine Kapsel 158 aufgesetzt wird, welche diesen Hohlraum 138 bildet, derart, dass die erste Elektrode 114 (Kathode der ersten elektrochemischen Messzelle 140) und die dritte Elektrode 148 (Anode der zweiten elektrochemischen Messzelle 144 bzw. kurzgeschlossenen Brennstoffzelle) nebeneinander in dem Hohlraum 138 aufgenommen sind.The gastight cavity 138 in the embodiment of the sensor element 110 according to 7 is realized, for example, that on the surface of the solid electrolyte 124 a capsule 158 is placed, which this cavity 138 forms, such that the first electrode 114 (Cathode of the first electrochemical measuring cell 140 ) and the third electrode 148 (Anode of the second electrochemical measuring cell 144 or short-circuited fuel cell) side by side in the cavity 138 are included.

Ansonsten kann die Beschaltung des Sensorelements 110 gemäß 7 beispielsweise analog zur Beschaltung in 3 erfolgen. Wiederum kann auch ein Heizelement 130 vorgesehen sein, mit zwei Zuleitungen 160, von denen eine Zuleitung eine Massenleitung 162 ist. In diesem wie auch in anderen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise die erste Elektrode 114 (Kathode der ersten elektrochemischen Zelle 140) auch mit der Masseleitung 162 des Heizelements 130 verbunden sein, wobei jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich sind.Otherwise, the wiring of the sensor element 110 according to 7 for example, analogous to the wiring in 3 respectively. Again, a heating element can also be used 130 be provided with two leads 160 , of which one supply line is a mass line 162 is. In this as well as in other embodiments, for example, the first electrode 114 (Cathode of the first electrochemical cell 140 ) also with the ground line 162 of the heating element 130 be connected, but other configurations are possible.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen der Erfindung in den 3 und 7 war der gasdicht abgeschirmte Hohlraum 138 jeweils derart angeordnet, dass die erste Elektrode 114 (Kathode der ersten elektrochemischen Messzelle 140) in diesem abgeschlossenen Hohlraum 138 aufgenommen ist. Dass dies nicht zwingend erforderlich ist, sondern dass auch Ausführungsbeispiele möglich sind, bei welchen die zweite Elektrode 122 (Anode der ersten elektrochemischen Messzelle 140 bzw. Ausbauelektrode) in diesem Hohlraum 138 angeordnet ist, zeigen die nachfolgenden Beispiele in den 8, 9 und 10.In the previous embodiments of the invention in the 3 and 7 was the gas-tight shielded cavity 138 each arranged such that the first electrode 114 (Cathode of the first electrochemical measuring cell 140 ) in this closed cavity 138 is included. That this is not absolutely necessary, but that embodiments are possible in which the second electrode 122 (Anode of the first electrochemical measuring cell 140 or removal electrode) in this cavity 138 is arranged, the following examples show in the 8th . 9 and 10 ,

Dabei zeigt 8 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem sämtliche Elektroden 114, 122, 148, 150 im Inneren des Sensorelements 110 angeordnet sind. Wiederum ist ein Kathoden hohlraum 116 oberhalb der ersten Elektrode 114 vorgesehen, welcher über ein Gaszutrittsloch 118 und eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 122 in Verbindung steht und aus diesem mit beispielsweise Abgas beaufschlagt werden kann. Die zweite Elektrode 122 der ersten elektrochemischen Messzelle 140 ist in einem abgeschlossenen Hohlraum 138 angeordnet und somit wirksam beispielsweise vor Kontaminationen und/oder vor Fettgasreaktionen geschützt.It shows 8th an embodiment in which all the electrodes 114 . 122 . 148 . 150 inside the sensor element 110 are arranged. Again, there is a cathode cavity 116 above the first electrode 114 provided, which via a gas inlet hole 118 and a diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 122 is in communication and can be acted upon from this with, for example, exhaust gas. The second electrode 122 the first electrochemical measuring cell 140 is in a closed cavity 138 arranged and thus effectively protected, for example against contamination and / or against fatty gas reactions.

Wiederum ist in diesem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum 138 eine dritte Elektrode 148 angeordnet, welche Bestandteil einer kurzgeschlossenen zweiten elektrochemischen Messzelle 144 bildet. Diese zweite elektrochemische Messzelle, welche wiederum einen zweiten Festelektrolyten 144 und eine außerhalb des Hohlraums 138 angeordnete vierte Elektrode 150 umfasst, ist in 8 lediglich symbolisch dargestellt. Dabei sind in der gezeigten Darstellung die beiden Elektroden 148, 150 und der elektrische Leiter 154 einstückig ausgebildet. Alternativ könnten diese Elektroden jedoch auch wieder, beispielsweise analog zu der Darstellung in 7, als flächige Elektroden, mit einer dazwischen angeordneten Leiterbahn und/oder über ein gemischtleitendes Material (MIEC-Material) verbunden realisiert werden. Auch andere Ausgestaltungen (siehe zum Beispiel unten 10) sind denkbar.Again, in this gas-tight sealed cavity 138 a third electrode 148 which is part of a short-circuited second electrochemical measuring cell 144 forms. This second electrochemical measuring cell, which in turn has a second solid electrolyte 144 and one outside the cavity 138 arranged fourth electrode 150 includes, is in 8th only symbolically represented. In this case, in the illustration shown, the two electrodes 148 . 150 and the electrical conductor 154 integrally formed. Alternatively, however, these electrodes could also again, for example analogously to the representation in 7 , as planar electrodes, with a conductor track arranged therebetween and / or via a mixed conductive material (MIEC material) can be realized connected. Also other embodiments (see for example below 10 ) are conceivable.

Im Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist in 8 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem die vierte Elektrode 150 der zweiten elektrochemischen Messzelle 144 nicht in Kontakt steht mit dem Messgasraum 112, sondern einem von diesem Messgasraum 112 abgetrennten Umgebungsraum 164. Beispielsweise kann es sich bei diesem Umgebungsraum 164 um einen Motorraum eines Kraftfahrzeuges handeln, welcher einen wesentlichen Gasaustausch mit dem Abgassystem (Messgasraum 112) aufweist. Dieses Beispiel zeigt, dass, in Verallgemeinerung des oben beschriebenen Gedankens, die vierte Elektrode 150 der zweiten elektrochemischen Messzelle 144 allgemein mit einem Gasraum in Verbindung steht, bei welchem es sich beispielsweise um den Messgasraum 112 selbst oder um den Umgebungsraum 164, welcher vom Messgasraum 112 getrennt ist, handeln kann. Die vierte Elektrode 150 und der Umgebungsraum 164 können beispielsweise über einen Referenzkanal 166 in Verbindung stehen, welcher, wie alle vorgenannten Hohlräume auch, beispielsweise auch ganz oder teilweise mit einem hochporösen Material gefüllt sein kann. Derartige Aufbauten mit Referenzkanälen 166 sind bereits aus Breitbandsonden mit Luftreferenz bekannt, wobei nunmehr jedoch keine direkt Ankopplung der Ausbauelektrode 122 an diese Luftreferenz erfolgt, sondern eine Kopplung über die kurzgeschlossene Nernstzelle 144. Auf diese Weise wird beispielsweise verhindert, dass schädliche Gase oder Elektrodengifte aus dem Umgebungsraum 164 zur zweiten Elektrode 122 gelangen und diese beeinflussen können. Auch das Eindringen von Fettgasen aus dem Umgebungsraum 164, beispielsweise in Form von Öldämpfen oder ähnlichem, wird verhindert, so dass wiederum unerwünschte Elektrodenreaktionen an der zweiten Elektrode 122 unterdrückt werden.In contrast to the preceding embodiments is in 8th an embodiment shown in which the fourth electrode 150 the second electrochemical measuring cell 144 not in contact with the sample gas chamber 112 but one from this sample gas space 112 separated environment space 164 , For example, this environmental space may be 164 to act an engine compartment of a motor vehicle, which a substantial gas exchange with the exhaust system (measuring gas space 112 ) having. This example shows that, in generalization of the idea described above, the fourth electrode 150 the second electrochemical measuring cell 144 is generally associated with a gas space, which is, for example, the sample gas space 112 itself or around the surrounding space 164 , which from the measuring gas chamber 112 is separated, can act. The fourth electrode 150 and the surrounding space 164 can, for example, via a reference channel 166 in connection, which, as all the aforementioned cavities also, for example, may be completely or partially filled with a highly porous material. Such structures with reference channels 166 are already known from broadband probes with air reference, but now no direct coupling of the expansion electrode 122 to this air reference, but a coupling via the short-circuited Nernst cell 144 , In this way, for example, prevents harmful gases or electrode poisons from the surrounding space 164 to the second electrode 122 reach and influence them. Also, the penetration of grease gases from the ambient space 164 , For example, in the form of oil vapors or the like, is prevented, so that in turn undesirable electrode reactions at the second electrode 122 be suppressed.

In 9 ist wiederum ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 gezeigt, welches vom Prinzip her dem Ausführungsbeispiel in 8 entspricht, so dass wiederum die zweite Elektrode 122 in einem abgeschirmten Hohlraum 138 angeordnet ist, wohingegen die erste Elektrode 114 über eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 112 in Verbindung steht. Der abgeschirmte Hohlraum 138 steht wiederum über eine zweite elektrochemische Messzelle 144 mit einem Gasraum in Verbindung, wobei in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel dieser Gasraum wiederum, analog zu den 3 und 7, der Messgasraum 112 selbst ist. Sämtliche Elektroden 114, 122, 148 und 150 sind dabei auf der dem Messgasraum 112 zugewandten Oberfläche des Schichtaufbaus des Sensorelements 110 angeordnet, beispielsweise ähnlich zu dem Aufbau in 7, wobei jedoch, wie erwähnt, im Unterschied zur 7 die zweite Elektrode 122 statt der ersten Elektrode 114 in dem abgeschirmten Hohlraum 138 angeordnet ist. Die Realisierung der dritten Elektrode 148, des elektrischen Leiters 154 und der vierten Elektrode 150 kann beispielsweise wiederum dadurch erfolgen, dass diese Bestandteile einstückig ausgebildet werden, beispielsweise durch ein gemeinsam gedrucktes Platin-Element. Die Abdichtung des Hohlraums 138 gegenüber dem Messgasraum 112 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass, beispielsweise mittig auf diesem gemeinsam gedruckten Platin-Element, bei der Herstellung ein Dichtsteg 168 aufgedruckt wird, beispielsweise ein Dichtsteg aus einem Festelektrolyt-Material oder einem anderen abdichtenden Material. Der Kathodenhohlraum 116 und der abgeschlossene Hohlraum 138 sind durch eine gemeinsame Abdeckschicht 170 abgedeckt und nach oben hin abgedichtet. Weiterhin weist das Sensorelement 110 noch, analog zu den vorhergehenden Figuren, ein Heizelement 130 auf, welches beispielsweise eine Heizerfolie mit einer oder mehreren Isolierungen und Heizelementen umfassen kann und welches in 9 lediglich symbolisch dargestellt ist. Die Beschaltung des Sensorelements 110 kann beispielsweise analog zur Beschaltung gemäß 8 erfolgen, so dass beispielsweise wiederum die erste Elektrode 114 als Kathode (beispielsweise auf Massepotential) geschaltet wird und die zweite Elektrode 122 als Anode bzw. Ausbauelektrode, wobei die Zuleitung der ersten Elektrode 114 beispielsweise auch mit der Masseleitung einer Heizerelektrode verbunden oder zumindest teilweise identisch sein kann.In 9 is again an embodiment of a sensor element 110 shown, which in principle the embodiment in 8th corresponds, so that in turn the second electrode 122 in a shielded cavity 138 is arranged, whereas the first electrode 114 via a diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 112 communicates. The shielded cavity 138 in turn is via a second electrochemical measuring cell 144 with a gas space in communication, wherein in the in 9 shown embodiment of this gas space in turn, analogous to the 3 and 7 , the measuring gas chamber 112 itself is. All electrodes 114 . 122 . 148 and 150 are on the measuring gas chamber 112 facing surface of the layer structure of the sensor element 110 arranged, for example similar to the structure in 7 However, as mentioned, unlike the 7 the second electrode 122 instead of the first electrode 114 in the shielded cavity 138 is arranged. The realization of the third electrode 148 , the electrical conductor 154 and the fourth electrode 150 For example, can be done by integrally forming these components, for example by a jointly printed platinum element. The sealing of the cavity 138 opposite the sample gas chamber 112 can be done, for example, that, for example, centrally printed on this together Platinum element, in the production of a sealing bar 168 is printed, for example, a sealing ridge of a solid electrolyte material or other sealing material. The cathode cavity 116 and the closed cavity 138 are by a common cover layer 170 covered and sealed at the top. Furthermore, the sensor element 110 still, analogous to the preceding figures, a heating element 130 which may, for example, comprise a heater foil with one or more insulations and heating elements, and which in 9 is shown only symbolically. The wiring of the sensor element 110 can, for example, analogous to the circuit according to 8th take place, so that, for example, in turn, the first electrode 114 is switched as a cathode (for example, to ground potential) and the second electrode 122 as an anode or removal electrode, wherein the lead of the first electrode 114 for example, also connected to the ground line of a heater electrode or at least partially identical.

In 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt, welches zunächst weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 entspricht. Insofern kann für die Funktionsweise und die dargestellten Elemente weitgehend auf die Beschreibung der 9 verwiesen werden.In 10 is an embodiment of a sensor element according to the invention 110 shown, which initially largely according to the embodiment according to 9 equivalent. Insofar, for the functioning and the illustrated elements can be largely based on the description of 9 to get expelled.

Ein Unterschied zu 9 ergibt sich in der Realisierung der zweiten elektrochemischen Messzelle 144, also der kurzgeschlossenen Brennstoff- oder Nernstzelle. Diese ist in dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass im Bereich des abgeschlossenen Hohlraums 138 anstelle der Abdeckschicht 170 ein Kompositmaterial 172 verwendet wird. Beispielsweise kann dieses Kompositmaterial 172 in Form einer Elektrodenpaste, welche Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid und Platin enthält, realisiert werden. Auf diese Weise übernimmt die dem Hohlraum 138 zugewandte Seite dieses Kompositmaterials 172 die Funktion der dritten Elektrode 148, und die dem Messgasraum 112 zugewandte Seite des Kompositmaterials 172 die Funktion der vierten Elektrode 150. Die Funktion des elektrischen Leiters 154 wird durch das Kompositmaterial 172 selbst übernommen. Dieses übernimmt jedoch auch gleichzeitig die Funktion des zweiten Festelektrolyten 146. Wichtig ist dabei, dass das Kompositmaterial 172 gasdicht ausgestaltet ist. Zudem kann, wie auch in den übrigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, der gasdichte Hohlraum 138 vorzugsweise mit einem porösen Element ausgefüllt werden, beispielsweise wiederum einer hochporösen Paste.A difference too 9 results in the realization of the second electrochemical measuring cell 144 , so the short-circuited fuel or Nernst cell. This is in the in 10 illustrated embodiment realized in that in the region of the closed cavity 138 instead of the cover layer 170 a composite material 172 is used. For example, this composite material 172 in the form of an electrode paste containing yttrium-stabilized zirconia and platinum. In this way, the takes over the cavity 138 facing side of this composite material 172 the function of the third electrode 148 , and the measuring gas chamber 112 facing side of the composite material 172 the function of the fourth electrode 150 , The function of the electrical conductor 154 is through the composite material 172 taken himself. However, this also simultaneously assumes the function of the second solid electrolyte 146 , It is important that the composite material 172 is designed gas-tight. In addition, as in the other embodiments of the present invention, the gas-tight cavity 138 preferably filled with a porous element, for example, again a highly porous paste.

Nach wie vor sind bei diesem Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Kompositmaterial 172 eingesetzt wird, die elektrischen Funktionen der Elektronenleitung und der Ionenleitung auf unterschiedliche Komponenten des Kompositmaterials 172 verteilt. So weist das Kompositmaterial 172 einen Festelektrolyt-Anteil auf, welcher die Ionenleitung, insbesondere die Sauerstoffionenleitung übernimmt, und einen Metallanteil (zum Beispiel Platin), welcher die Funktion der Elektronenleitung übernimmt.As before, in this embodiment, in which a composite material 172 is used, the electrical functions of the electron line and the ion conduction to different components of the composite material 172 distributed. This is how the composite material looks like 172 a solid electrolyte portion, which takes over the ionic conduction, in particular the oxygen ion conduction, and a metal portion (for example, platinum), which performs the function of electron conduction.

Die bisherigen Ausführungsbeispiele der Sensorelemente 110 in den 3, 7, 8 und 9 sind jeweils vorzugsweise als Breitbandsonden betrieben, wie auch die teilweise abgebildete Beschaltung zeigt. Das erfindungsgemäße Prinzip der Elektrodenabschirmung durch Verwendung eines gasdicht abgeschlossenen Hohlraums 138 und einer kurzgeschlossenen Nernstzelle 144 zur Anbindung dieses Hohlraums 138 lässt sich jedoch auch auf Sensorelemente mit potentiometrischen Messverfahren (Sprungzellen) oder kombinierte, mehrzellige Messaufbauten übertragen. Dies sei exemplarisch am Beispiel der 11 und 12 verdeutlicht.The previous embodiments of the sensor elements 110 in the 3 . 7 . 8th and 9 are each preferably operated as broadband probes, as well as the partially shown wiring shows. The inventive principle of the electrode shielding by using a gas-tight sealed cavity 138 and a short-circuited Nernst cell 144 for connecting this cavity 138 However, it can also be transferred to sensor elements with potentiometric measuring methods (hopping cells) or combined multicellular measurement setups. This is exemplified by the example of 11 and 12 clarified.

So zeigt 11 einen Sprungzellen-Aufbau, bei welchem die zweite Elektrode 122 über eine Schutzschicht 128 mit dem Messgasraum 112 in Verbindung steht, wohingegen die erste Elektrode 114 im Inneren des Schichtaufbaus des Sensorelements 110 wiederum in einem gasdicht abgeschlossenen Hohlraum 138 angeordnet ist. Dieser gasdicht abgeschlossene Hohlraum 138 steht, ähnlich zur Darstellung in 8, über eine zweite elektrochemische Messzelle 144, welche wiederum als kurzgeschlossene Brennstoff- oder Nernstzelle ausgestaltet ist, und einen Referenzkanal 166 mit einem Umgebungsraum 164 in Verbindung, welcher als Luftreferenz dient. Dabei kann die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode gemessen werden, wie dies symbolisch in 11 angedeutet ist. Aus dieser Potentialdifferenz kann auf die Sauerstoffkonzentration im Abgas im Messgasraum 112 geschlossen werden. Ansonsten kann für den Aufbau des Sensorelements 110 weitgehend auf die obigen Beschreibungen verwiesen werden. Der Vorteil des Aufbaus gemäß 11 liegt darin, dass die erste Elektrode 114, welche als Luftreferenz-Elektrode dient, durch die kurzgeschlossene Nernstzelle 144 effektiv abgeschirmt wird, so dass beispielsweise Verunreinigungen in Form von Elektrodengiften oder Brenngasen nicht zu dieser Elektrode 114 gelangen können und dort keine CSD-Effekte hervorrufen können.So shows 11 a jump cell structure in which the second electrode 122 over a protective layer 128 with the sample gas chamber 112 while the first electrode 114 inside the layer structure of the sensor element 110 again in a gas-tight cavity 138 is arranged. This gas-tight cavity 138 stands, similar to the representation in 8th , via a second electrochemical measuring cell 144 , which in turn is configured as a short-circuited fuel or Nernst cell, and a reference channel 166 with an environment space 164 in conjunction, which serves as an air reference. In this case, the electrochemical potential difference between the first and second electrodes can be measured, as shown symbolically in FIG 11 is indicated. From this potential difference can on the oxygen concentration in the exhaust gas in the sample gas space 112 getting closed. Otherwise, for the construction of the sensor element 110 be largely referred to the above descriptions. The advantage of the structure according to 11 lies in that the first electrode 114 , which serves as an air reference electrode, through the short-circuited Nernst cell 144 is effectively shielded, so that, for example, impurities in the form of electrode poisons or fuel gases not to this electrode 114 can get there and cause no CSD effects there.

In 12 ist schließlich ein erfindungsgemäßer mehrzelliger Aufbau eines Sensorelements gezeigt, welcher das Nernstzellen-Prinzip der 11 mit dem Pumpzellen-Prinzip der vorangehenden Ausführungsbeispiele kombiniert. Ein derartiges Messprinzip ist grundsätzlich aus der Literatur bekannt und ist beispielsweise in EP 0 678 740 A1 beschrieben.In 12 Finally, an inventive multi-cell structure of a sensor element is shown, which the Nernst cell principle of 11 combined with the pump cell principle of the preceding embodiments. Such a measuring principle is basically known from the literature and is for example in EP 0 678 740 A1 described.

Wiederum ist eine auf der Oberfläche des Festelektrolyten 124 angeordnete zweite Elektrode (auch als äußere Potential-Elektrode, APE, bezeichnet) und eine im Inneren des Sensorele ments 110 in einem Kathodenhohlraum 116 angeordnete erste Elektrode 114 vorgesehen. Die Bezeichnung „Kathodenhohlraum" wird hierbei unabhängig davon gewählt, wie die erste Elektrode 114 tatsächlich beschaltet wird, das heißt ob diese als Kathode oder als Anode eingesetzt wird. Der Kathodenhohlraum 116 ist wiederum, analog zu beispielsweise dem Aufbau in 7, über ein Gaszutrittsloch 118 und eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 112 verbunden, wohingegen die zweite Elektrode 122 unmittelbar über eine Schutzschicht 128 mit dem Messgasraum 112 verbunden ist. Die erste Elektrode wird, entsprechend ihrer Lage im Inneren des Sensorelements 110, häufig auch als „innere Potentialelektrode oder IPE" bezeichnet.Again, one is on the surface of the solid electrolyte 124 arranged second electrode (also referred to as external potential electrode, APE,) and one inside the Sensorele management 110 in a cathode cavity 116 arranged first electrode 114 intended. The term "cathode cavity" is chosen independently of this, as the first electrode 114 is actually connected, that is, whether it is used as a cathode or as an anode. The cathode cavity 116 is again, analogous to, for example, the construction in 7 , via a gas access hole 118 and a diffusion barrier 120 with the sample gas chamber 112 whereas the second electrode is connected 122 immediately above a protective layer 128 with the sample gas chamber 112 connected is. The first electrode becomes, according to their position inside the sensor element 110 , often referred to as "internal potential electrode or IPE".

Wiederum ist weiterhin ein gasdicht abgeschlossener Hohlraum 138 vorgesehen, welcher in diesem Ausführungsbeispiel (was jedoch nicht wiederum zwingend erforderlich ist) wiederum im Inneren des Sensorelements 110 angeordnet ist. Dieser gasdicht abgeschlossene Hohlraum 138 steht wieder über eine zweite elektrochemische Messzelle 144 einem Umgebungsraum 164 in Verbindung, wobei wiederum diese Verbindung einen Referenzkanal 166 umfasst. Diesbezüglich kann beispielsweise auf 11 verwiesen werden.Again, a gas-tight closed cavity is still 138 provided, which in this embodiment (which, however, is not necessary again) in turn inside the sensor element 110 is arranged. This gas-tight cavity 138 again stands over a second electrochemical measuring cell 144 an environment space 164 in turn, in turn, this connection is a reference channel 166 includes. In this regard, for example, on 11 to get expelled.

Im Unterschied zu 11 ist jedoch in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 12 der Kathodenhohlraum 116 nicht mit dem abgeschlossenen Hohlraum 138 identisch, so dass die erste Elektrode 114 außerhalb des abgeschlossenen Hohlraums 138 angeordnet ist. Stattdessen ist in dem abgeschlossenen Hohlraum 138 eine Referenzelektrode 174 angeordnet.In contrast to 11 However, in this embodiment according to 12 the cathode cavity 116 not with the closed cavity 138 identical, so that the first electrode 114 outside the closed cavity 138 is arranged. Instead, in the enclosed cavity 138 a reference electrode 174 arranged.

Das Funktionsprinzip der in 12 dargestellten Anordnung kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 174 und der ersten Elektrode 114 gemessen wird. Über diese gemessene Potentialdifferenz bzw. Referenzspannung kann eine Pumpspannungsquelle gesteuert bzw. geregelt werden, welche eine Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 122 bestimmt. Auf diese Weise kann der Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 122 derart geregelt werden, dass die Luftzahl λ im Inneren des Kathodenhohlraums 116 stets den Wert λ = 1 annimmt, welcher auch im abgeschlossenen Hohlraum 138 herrscht, da dieser wiederum über die zweite elektrochemische Messzelle 144 (bzw. kurzgeschlossene Brennstoff- oder Nernstzelle) mit der Luftreferenz in Form des Umgebungsraums 164 in Verbindung steht. Aus der Pumpspannung, welche zur Herstellung dieser Gleichge wichtsbedingung im Kathodenhohlraum 116 zwischen der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 112 angelegt werden muss, kann auf die tatsächlich im Messgasraum 112 vorhandene Luftzahl λ geschlossen werden. Dieses Prinzip ist in Form von Breitbandsensoren in vielen kommerziell erhältlichen Sensorelementen eingesetzt. Auch hier macht sich die Zwischenschaltung einer kurzgeschlossenen Nernstzelle 144 zwischen der eigentlichen Luftreferenz 164 und dem abgeschlossenen Hohlraum 138 positiv bemerkbar, da diese zweite elektrochemische Messzelle 144 die Referenzelektrode 174 wirksam abschirmt gegenüber jeglicher Art von Verunreinigungen und Elektrodengiften, welche das Elektrodenpotential dieser Referenzelektrode 174 beeinflussen könnten.The functional principle of in 12 arrangement shown, for example, be designed such that a potential difference between the reference electrode 174 and the first electrode 114 is measured. About this measured potential difference or reference voltage, a pump voltage source can be controlled or regulated, which is a pumping voltage between the first electrode 114 and the second electrode 122 certainly. In this way, the pumping current between the first electrode 114 and the second electrode 122 be controlled so that the air ratio λ in the interior of the cathode cavity 116 always assumes the value λ = 1, which also in the closed cavity 138 prevails, as this in turn via the second electrochemical measuring cell 144 (or short-circuited fuel or Nernst cell) with the air reference in the form of the ambient space 164 communicates. From the pumping voltage, which for the production of this equilibrium weight condition in the cathode cavity 116 between the first electrode 114 and the second electrode 112 can be created on the actually in the sample gas chamber 112 existing air ratio λ are closed. This principle is used in the form of broadband sensors in many commercially available sensor elements. Here, too, makes the interposition of a short-circuited Nernst cell 144 between the actual air reference 164 and the closed cavity 138 positively noticeable, since this second electrochemical measuring cell 144 the reference electrode 174 effectively shields against any type of contaminants and electrode poisons that affect the electrode potential of this reference electrode 174 could influence.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - EP 0678740 A1 [0075] EP 0678740 A1 [0075]

Claims (18)

Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens eine erste Elektrode (114) und mindestens eine zweite Elektrode (122) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (122) verbindenden ersten Festelektrolyten (142), wobei das Sensorelement (110) mindestens eine dritte Elektrode (148) und eine vierte, mit einem Gasraum (112; 164) in Verbindung stehende Elektrode (150) und mindestens einen die dritte Elektrode (148) und die vierte Elektrode (150) verbindenden zweiten Festelektrolyten (146) aufweist, wobei das Sensorelement (110) weiterhin mindestens einen gasdicht abgeschlossenen Hohlraum (138) aufweist, wobei die dritte Elektrode (148) in dem Hohlraum (138) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (148) und die vierte Elektrode (150) durch mindestens einen elektrischen Leiter (154) elektrisch miteinander verbunden sind.Sensor element ( 110 ) for determining at least one physical property of a gas in at least one sample gas space ( 112 ), in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, comprising at least one first electrode ( 114 ) and at least one second electrode ( 122 ) and at least one the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 ) connecting first solid electrolyte ( 142 ), wherein the sensor element ( 110 ) at least one third electrode ( 148 ) and a fourth, with a gas space ( 112 ; 164 ) related electrode ( 150 ) and at least one the third electrode ( 148 ) and the fourth electrode ( 150 ) connecting second solid electrolyte ( 146 ), wherein the sensor element ( 110 ) further at least one gas-tight cavity ( 138 ), wherein the third electrode ( 148 ) in the cavity ( 138 ), characterized in that the third electrode ( 148 ) and the fourth electrode ( 150 ) by at least one electrical conductor ( 154 ) are electrically connected together. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dritte Elektrode (148) und die vierte Elektrode (150) durch den elektrischen Leiter (154) kurzgeschlossen sind, wobei der elektrische Leiter (154) einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als ein elektrischer Widerstand des zweiten Festelektrolyten (146).Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the third electrode ( 148 ) and the fourth electrode ( 150 ) through the electrical conductor ( 154 ) are short-circuited, wherein the electrical conductor ( 154 ) has an electrical resistance which is at least an order of magnitude smaller than an electrical resistance of the second solid electrolyte ( 146 ). Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasraum (112; 164) und der Messgasraum (112) identisch sind.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the gas space ( 112 ; 164 ) and the sample gas space ( 112 ) are identical. Sensorelement (110) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Gasraum (112; 164) ein vom Messgasraum (112) getrennter Umgebungsraum (164) ist.Sensor element ( 110 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the gas space ( 112 ; 164 ) one from the sample gas space ( 112 ) separate environmental space ( 164 ). Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine, vorzugsweise genau eine, der folgenden Elektroden in dem Hohlraum (138) ange ordnet ist: die erste Elektrode (114), die zweite Elektrode (122), mindestens eine Referenzelektrode (174).Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one, preferably exactly one, of the following electrodes in the cavity ( 138 ): the first electrode ( 114 ), the second electrode ( 122 ), at least one reference electrode ( 174 ). Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Festelektrolyt (142) und der zweite Festelektrolyt (146) zumindest teilweise bauteilidentisch sind.Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the first solid electrolyte ( 142 ) and the second solid electrolyte ( 146 ) are at least partially component identical. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) einen Schichtaufbau aufweist, wobei der Hohlraum (138) im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist und von dem Messgasraum (112) durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus getrennt ist.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) has a layer structure, wherein the cavity ( 138 ) is arranged in the interior of the layer structure and from the sample gas space ( 112 ) is separated by at least one layer of the layer structure. Sensorelement (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement (110) einen Schichtaufbau mit einer dem Messgasraum (112) zugewandten Oberfläche aufweist, wobei der Hohlraum (138) auf der dem Messgasraum (112) zugewandten Oberfläche angeordnet ist und von dem Messgasraum (112) durch eine gasundurchlässige Schicht, insbesondere eine gasundurchlässige Kapsel (158), getrennt ist.Sensor element ( 110 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the sensor element ( 110 ) a layer structure with a measuring gas space ( 112 ) facing surface, wherein the cavity ( 138 ) on the measuring gas space ( 112 ) facing surface and from the sample gas space ( 112 ) by a gas-impermeable layer, in particular a gas-impermeable capsule ( 158 ), is separate. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Festelektrolyt (146) und der elektrische Leiter (154) zumindest teilweise bauteilidentisch sind, wobei der zweite Festelektrolyt (146) als Keramik-Metall-Kompositmaterial (172) ausgestaltet ist.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the second solid electrolyte ( 146 ) and the electrical conductor ( 154 ) are at least partially identical to a component, wherein the second solid electrolyte ( 146 ) as ceramic-metal composite material ( 172 ) is configured. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Keramik-Metall-Kompositmaterial (172) ein Kompositmaterial mit einem Anteil Yttrium-stabilisierten Zirkondioxids und einem Anteil Platin aufweist.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the ceramic-metal composite material ( 172 ) has a composite material with a proportion of yttrium-stabilized zirconium dioxide and a proportion of platinum. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (154) mindestens eine den zweiten Festelektrolyten (146) durchdringende oder umgehende Leiterbahn umfasst, welche die dritte Elektrode (148) und die vierte Elektrode (150) verbindet.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the electrical conductor ( 154 ) at least one of the second solid electrolyte ( 146 ) comprises penetrating or immediate conductive trace which the third electrode ( 148 ) and the fourth electrode ( 150 ) connects. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Elektrode (114, 122) der aus der ersten Elektrode (114) und der zweiten Elektrode (122) bestehenden Elektrodengruppe in dem Hohlraum (138) angeordnet ist.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein an electrode ( 114 . 122 ) from the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 ) existing electrode group in the cavity ( 138 ) is arranged. Sensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die andere Elektrode (114, 122) der aus der ersten Elektrode (114) und der zweiten Elektrode (122) bestehenden Elektrodengruppe mit dem Messgasraum (112) über eine erste Diffusionsbarriere (120) verbunden ist.Sensor element according to the preceding claim, wherein the other electrode ( 114 . 122 ) from the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 ) existing electrode group with the sample gas space ( 112 ) via a first diffusion barrier ( 120 ) connected is. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vierte Elektrode (150) mit dem Gasraum (112; 164) über mindestens eine zweite Diffusionsbarriere (152) verbunden ist.Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the fourth electrode ( 150 ) with the gas space ( 112 ; 164 ) via at least one second diffusion barrier ( 152 ) connected is. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend mindestens ein Heizelement (130) mit mindestens zwei Zuleitungen (160), wobei mindestens eine der Zuleitungen (160) eine Masseleitung (162) ist, wobei die erste Elektrode (114) mit der Masseleitung (162) verbunden ist.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, further comprising at least one heating element ( 130 ) with at least two supply lines ( 160 ), at least one of the supply lines ( 160 ) a ground line ( 162 ), wherein the first electrode ( 114 ) with the ground line ( 162 ) connected is. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei zwischen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (122) eine Pumpspannung (Up) angelegt wird, wobei ein Pumpstrom (Ip) gemessen wird, wobei aus dem Pumpstrom (Ip) auf die physikalische Eigenschaft, insbesondere die Sauerstoffkonzentration, geschlossen wird.Method for determining at least one physical property of a gas in at least one sample gas space ( 112 ), in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein a sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein between the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 Wherein a pump current (I p) is measured wherein from the pump current (I p) on the physical property, especially the oxygen concentration, is closed) a pump voltage (U p) is applied. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei der Gasraum (112; 164) ein vom Messgasraum (112) getrennter Umgebungsraum (164) ist, wobei eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (114) und der zweiten Elektrode (122) gemessen wird und wobei aus der Potentialdifferenz auf die physikalische Eigenschaft, insbesondere die Sauerstoffkonzentration, geschlossen wird.Method for determining at least one physical property of a gas in at least one measuring gas space ( 112 ), in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein a sensor element ( 110 ) is used according to one of the preceding claims, wherein the gas space ( 112 ; 164 ) one from the sample gas space ( 112 ) separate environmental space ( 164 ), wherein a potential difference between the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 ) and wherein from the potential difference on the physical property, in particular the oxygen concentration, is concluded. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine in dem Hohlraum (138) angeordnete Referenzelektrode (174) aufweist, wobei die erste Elektrode (114) in einem von dem Hohlraum (138) getrennten Elektrodenhohlraum (116) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (116) mit dem Messgasraum (112) über mindestens eine Diffusionsbarriere (120) verbunden ist, wobei eine Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode (174) und der ersten Elektrode (114) gemessen wird, wobei eine Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode (114) und der zweiten Elektrode (122) angelegt wird, wobei die Pumpspannung auf eine Sollpumpspannung geregelt wird, derart, dass die Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (114) und der Referenzelektrode (116) einen Sollwert annimmt, wobei aus der Sollpumpspannung auf die physikalische Eigenschaft geschlossen wird.Method for determining at least one physical property of a gas in at least one measuring gas space ( 112 ), in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein a sensor element ( 110 ) is used according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) at least one in the cavity ( 138 ) arranged reference electrode ( 174 ), wherein the first electrode ( 114 ) in one of the cavities ( 138 ) separate electrode cavity ( 116 ), wherein the electrode cavity ( 116 ) with the sample gas space ( 112 ) via at least one diffusion barrier ( 120 ), wherein a potential difference between the reference electrode ( 174 ) and the first electrode ( 114 ), wherein a pumping voltage between the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 122 ) is applied, wherein the pumping voltage is regulated to a target pumping voltage, such that the potential difference between the first electrode ( 114 ) and the reference electrode ( 116 ) assumes a setpoint value, wherein the desired pumping voltage is used to deduce the physical property.
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