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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Eigenschaft
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere
werden Sensorelemente dieser Art unter der Bezeichnung „Lambdasonde” eingesetzt
und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
Die im Folgenden beschriebene Erfindung wird insbesondere unter
Bezugnahme auf Einsatzgebiete in Magergasen beschrieben, vorwiegend
für Dieselanwendungen. Auch andere Einsatzgebiete sind
jedoch grundsätzlich möglich.
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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. Aus dem Stand
der Technik sind zahlreiche verschiedene Ausführungsformen
von Sensorelementen zur Messung der Luftzahl bekannt. Beispielsweise
werden verschiedene Ausführungsformen, welche auch im Rahmen
der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifizierbar
sind, in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2.
Ausgabe, April 2007, Seiten 154–159 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere so genannte Breitband-Lambdasonden,
bei welchen eine oder mehrere so genannte „Pumpzellen” zum
Einsatz kommen. Bei diesen Pumpzellen wird ein Pumpstrom gemessen,
wel cher eine Messgröße für die nachzuweisende
Gaskomponente, in der Regel Sauerstoff, darstellt. Dabei wird bei
vielen Breitbandsonden ein Pumpzellenaufbau gewählt, bei
dem der Nachtransport von Sauerstoff durch eine Diffusionsbarriere
gehemmt ist. Ein Beispiel einer derartigen Breitbandsonde ist in
DE 10 2006 062 060
A1 beschrieben. Dabei wird in vielen Fällen ein
Signal zwischen zwei Pumpelektroden gemessen, welches durch den
fließenden Sauerstoffstrom bestimmt ist. Bei vielen Breitbandsonden
ist eine der beiden Pumpelektroden in einem Elektrodenhohlraum angeordnet,
welcher mit dem Messgasraum über die Diffusionsbarriere
verbunden ist. Die Pumpspannung zwischen den beiden Pumpelektroden
wird dann in der Regel so gewählt, dass zwischen der im
Elektrodenhohlraum angeordneten Elektrode und einer Referenzelektrode
in einem Referenzluftkanal eine bestimmte Spannung anliegt. Die
Regelspannung wird so gewählt, dass im Elektrodenhohlraum
im Wesentlichen ein stöchiometrisches Gemisch vorliegt,
d. h. λ = 1. Dazu wird in mageren Gasgemischen Sauerstoff aus
dem Elektrodenhohlraum herausgepumpt, während in fetten
Gasgemischen Sauerstoff in den Elektrodenhohlraum gepumpt wird,
um die ankommenden Fettkomponenten zu verbrennen. Die Stromrichtung
hat daher beim Übergang von einem fetten Luftzahlbereich
in einen mageren Luftzahlbereich einen Vorzeichenwechsel und kann
zumindest näherungsweise eindeutig über den gesamten
Luftzahlbereich gemessen werden.
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Für
Anwendungen im mageren Luftzahlbereich, d. h. Lambdawerte > 1, kann ein einfacherer Aufbau
gewählt werden. Auch dieser Aufbau ist in
DE 10 2006 062 060 A1 dargestellt.
In diesem Fall kann eine äußere Pumpelektrode
und damit ein Anschlusskontakt entfallen. Der Sauerstoff wird direkt von
der in dem Elektrodenhohlraum angeordneten inneren Pumpelektrode
zur Referenzelektrode gepumpt und von dort aus durch den Referenzluftkanal abgeführt.
Dabei sollte die Gaszusammensetzung an der Referenzelektrode im
Betrieb nur geringfügig variieren, so dass unerwünschte
Nebenreaktionen an der inneren Pumpelektrode vermieden werden. Mit diesem
Prinzip lässt sich grundsätzlich eine eindeutige
Kennlinie für Lambda > 1
erreichen.
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Elektrodenanordnungen,
bei welchen die Pumpelektroden nebeneinander auf dem selben Festelektrolyten
angeordnet sind, weisen jedoch grundsätzlich den signifikanten
Nachteil auf, dass durch die seitlich versetzten Elektroden der
elektrische Widerstand der Pumpzelle vergleichsweise hoch ist. Da
der hochfrequente Widerstand zwischen der inneren Pumpelektrode
und der Referenzelektrode und damit im Wesentlichen der ohmsche
Widerstand des Festelektrolyten zur Messung und Regelung der Sondentemperatur
verwendet wird, sollte dieser bevorzugt im Bereich zwischen 80 Ω und
200 Ω liegen. In
DE 10 2006 062 060 A1 wird daher ein Aufbau
mit einer zusätzlichen Reduzierschicht offenbart, welche
in der Lage ist, den Innenwiderstand einzustellen.
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Neben
dem ohmschen Widerstand der Festelektrolytkeramik enthält
der Innenwiderstand auch noch Anteile der Zuleitungen und, abhängig
von der Frequenz, auch Anteile der Elektroden. Für die
Messung und Regelung der Temperatur ist es wichtig, dass der ohmsche
Widerstand der Festelektrolytkeramik den hochfrequenten Widerstand
dominiert, da der Zuleitungsanteil und der Elektrodenanteil einen anderen
Temperaturgang aufweisen als die Festelektrolytkeramik. Aus diesem
Grund ist auch eine Anordnung mit übereinander liegender
innerer Pumpelektrode und Referenzelektrode ungünstig,
da hier der ohmsche Widerstand der Festelektrolytkeramik bei der
Solltemperatur vergleichsweise gering ausfällt. Gleichzeitig
ermöglichen derartige Aufbauten mit übereinander
liegenden Elektroden jedoch vergleichsweise große Elektrodenflächen
und somit geringen Stromdichten über die Elektrodenfläche,
was eine Vergiftungsneigung minimiert. Wünschenswert wäre
daher ein Sensorelementaufbau, bei welchem gleichzeitig einerseits
der Innenwiderstand für eine Temperaturregelung über
einen weiten Bereich einstellbar ist und andererseits ausreichend
große Elektrodenflächen bereitgestellt werden
können, um eine Vergiftungsneigung zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Sensorelement vorgeschlagen, welches die Nachteile
bekannter Sensorelemente vermeidet und eine gleichzeitige Verbesserung
bzw. Optimierung der genannten Parameter ermöglicht. Das
Sensorelement dient zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft
eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils
einer Gaskomponente. Beispielsweise kann ein prozentualer Anteil
dieser Gaskomponente oder ein Partialdruck dieser Gaskomponente
bestimmt werden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Gaskomponente
um Sauerstoff handeln. Das Sensorelement kann jedoch grundsätzlich
auch zur Messung anderer Arten von Eigenschaften des Gases einge setzt
werden. Bevorzugte Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung liegen
im Bereich der Sonden für Magergase, insbesondere für
Dieselanwendungen.
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Das
Sensorelement weist mindestens eine erste Elektrode, mindestens
eine zweite Elektrode und mindestens einen, die mindestens eine
erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verbindenden
Festelektrolyten auf. Der Festelektrolyt kann dabei insbesondere,
wie unten näher ausgeführt wird, aus einer oder
mehreren Festelektrolytschichten aufgebaut sein.
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Dabei
ist die mindestens eine erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum
beaufschlagbar. Dies bedeutet, dass die erste Elektrode direkt oder indirekt
mit dem Messgasraum in Verbindung steht, so dass Gas oder eine oder
mehrere Komponenten des Gases aus dem Messgasraum zu der ersten Elektrode
gelangen können, beispielsweise durch Strömungs-
und/oder Diffusionsprozesse. Insbesondere kann ein Nachstrom von
Gas zu der ersten Elektrode begrenzt werden, indem beispielsweise
eine oder mehrere Diffusionsbarrieren vor der ersten Elektrode vorgesehen
sind. Beispielsweise kann die erste Elektrode im Inneren eines Schichtaufbaus
angeordnet sein und kann durch eine oder mehrere Gaszutrittsbohrungen
mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Die erste Elektrode kann
beispielsweise in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein, welcher ungefüllt
ausgestaltet ist, oder ganz oder teilweise mit einem porösen
Material ausgefüllt ist. Dieser Elektrodenhohlraum kann über
die mindestens eine Diffusionsbarriere mit der Gaszutrittsbohrung
und/oder direkt mit dem Messgasraum in Verbindung stehen.
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Die
mindestens eine zweite Elektrode ist vorzugsweise mit mindestens
einem Referenzgasraum verbunden. Dieser optionale Referenzgasraum
ist vorzugsweise räumlich von dem Messgasraum getrennt
und weist eine im Wesentlichen bekannte Zusammensetzung an Gas auf.
Beispielsweise kann es sich bei diesem Referenzgas um Luft handeln.
Beispielsweise kann der Referenzgasraum ein Umgebungsraum sein,
welcher von einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine getrennt ist.
Beispielsweise kann die zweite Elektrode mit dem mindestens einem Referenzgasraum über
einen Referenzluftkanal verbunden sein, welcher, wie unten näher
ausgeführt wird, ungefüllt ausgestaltet sein kann,
welcher jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen
porösen Material ausgefüllt sein kann. Auch andere
Arten von Referenzgasräumen können jedoch grundsätzlich alternativ
oder zusätzlich eingesetzt werden. So wäre es
beispielsweise auch denkbar, den Referenzgasraum ganz oder teilweise
identisch mit dem Messgasraum auszugestalten und/oder mit dem Messgasraum
zu verbinden.
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Das
Sensorelement weist einen Schichtaufbau auf. Dabei ist die erste
Elektrode in mindestens einer ersten Schichtebene angeordnet, und
die zweite Elektrode ist in mindestens einer zweiten Schichtebene
angeordnet. Unter einer Schichtebene ist dabei eine bei der Herstellung
des Schichtaufbaus im wesentlichen identische Koordinate senkrecht
zu dem Schichtaufbau zu verstehen. Beispielsweise kann es sich bei
einer Schichtebene um eine Ansammlung von Elementen des Sensorelements
handeln, welche bei der Herstellung des Schichtaufbaus gleichzeitig
und/oder unmittelbar hintereinander erzeugt werden, beispielsweise
bevor der Schichtaufbau einem Sinterprozesses unterzogen wird. Die mindestens
eine erste Schichtebene und die mindestens eine zweite Schichtebene
sind dabei voneinander verschieden. Dies bedeutet, dass die erste
Elektrode und die zweite Elektrode übereinander angeordnet
sind, wobei eine Anordnung unmittelbar übereinander oder
eine versetzte Anordnung übereinander gewählt
werden kann. Die beiden Elektroden können unterschiedlich
groß ausgestaltet sein, d. h. mit unterschiedlich großer
Elektrodenfläche.
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Weiterhin
weist das Sensorelement mindestens eine den Festelektrolyten kontaktierende
Reduzierschicht in mindestens einer dritten Schichtebene auf, welche
von der ersten Schichtebene und der zweiten Schichtebene verschieden
ist. Unter einer Reduzierschicht ist dabei eine Elektrode zu verstehen,
welche vorzugsweise elektrisch nicht kontaktiert ist und welche
einen Ausbau von Gas und einen Einbau von Gas ermöglichen
soll. Bezüglich der Eigenschaften und möglichen
Ausgestaltungen dieser Reduzierschicht kann weitgehend auf die
DE 10 2006 062 060
A1 verwiesen werden. Vorzugsweise überlappt die
mindestens eine Reduzierschicht die mindestens eine Erstelektrode
und/oder die mindestens eine zweite Elektrode ganz oder teilweise
und sorgt auf diese Weise für eine Umleitung des Stroms
durch den mindestens einen Festelektrolyten und damit mittels einer
Verkürzung der Abstände zu einer erheblichen Reduzierung
des Innenwiderstands und somit zu verminderten Pumpspannungen. Die
Reduzierschicht kann beispielsweise auf einer dem Messgasraum zuweisenden
Oberfläche angeordnet sein und kann von diesem beispielsweise
durch ein poröses, gasdurchlässiges Element getrennt
sein. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine
Reduzierschicht jedoch auch ganz oder teilweise in einem von dem
Messgasraum ganz oder teilweise getrennten Hohlraum und/oder an
einer anderen Stelle des Schichtaufbaus angeordnet sein.
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Ein
Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die beiden
Elektroden, welche als innere Pumpelektrode und Referenzelektrode
fungieren, in unterschiedlichen Schichtebenen anzuordnen. Dadurch
ergibt sich eine Variabilität bei der Gestaltung des Elektrodenabstandes
zwischen diesen beiden Elektroden. Die beiden Elektroden können von
der Größe her unterschiedlich ausgestaltet sein. Gleichzeitig
lässt sich hierdurch die Elektrodenfläche dieser
beiden Elektroden erhöhen, so dass die Stromdichte über
diese Elektroden und damit die Vergiftungsneigung erheblich verringert
werden kann. Andererseits vermeidet der vorgeschlagene Schichtaufbau
mit der Verwendung der Reduzierschicht jedoch die Nachteile direkt übereinander
liegender Elektroden, bei welchen üblicherweise der Abstand
zu gering ist, um bei einer für die Vergiftungsminimierung
ausreichend großen Fläche auch den Innenwiderstand
der Pumpzelle in den oben genannten Bereich zwischen vorzugsweise
80 und 200 Ω, insbesondere zwischen 100 und 150 Ω und
besonders bevorzugt bei 120 Ω zu bringen. Der Innenwiderstand
kann durch eine Verlängerung des Elektrodenabstandes zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch seitlichen
Versatz, unter Zwischenschaltung der Reduzierschicht, in den gewünschten
Bereich gebracht werden. Insgesamt lässt sich mittels des
vorgeschlagenen Aufbaus also einerseits der gewünschte
Innenwiderstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
optimieren und andererseits die Elektrodenfläche groß genug
ausgestalten, um die Vergiftungsneigung der ersten Elektrode und/oder
der zweiten Elektrode zu minimieren.
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Die
erste Elektrode und die zweite Elektrode können ganz oder
teilweise im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, also von
dem Messgasraum durch mindestens eine Schicht, vorzugsweise mindestens
eine Festelektrolytschicht, getrennt sein. Unter einer „Trennung” durch
die Festelektrolytschicht kann dabei beispielsweise eine räumliche Trennung
verstanden werden, wohingegen elektrisch und/oder ionisch eine Verbindung
durch die Festelektrolytschicht vorliegen kann, beispielsweise zu
einer gemeinsamen Zelle. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch
grundsätzlich möglich. Die erste Elektrode und
die zweite Elektrode können insbesondere lateral versetzt
zueinander angeordnet sein, also in unter schiedlichen Positionen
senkrecht zum Schichtaufbau. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode
können durch mindestens eine erste Festelektrolytschicht
getrennt sein, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode
können von der Reduzierschicht durch mindestens eine zweite
Festelektrolytschicht getrennt sein. Gemeinsam mit einer optional
vorhandenen Basis-Festelektrolytschicht kann sich dabei ein stabiler
Aufbau des Sensorelements ergeben. Insbesondere können
für die Festelektrolytschicht so genannte Festelektrolytfolien
eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein
3-Folien-Design realisieren. Mittels eines derartigen mehrschichtigen
Aufbaus lässt sich eine Variabilität bei der Gestaltung
des Sensorelements, insbesondere bei der Gestaltung eines Referenzluftkanals und/oder
Abluftkanals, realisieren. Weiterhin lässt sich eine Heizereinkopplung
und die Fertigbarkeit verbessern.
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Die
zweite Elektrode kann dabei ganz oder teilweise auf die erste Festelektrolytschicht
aufgebracht sein. Dies bedeutet, dass die erste Elektrode und die
zweite Elektrode dieselbe Festelektrolytschicht kontaktieren können,
also auf einander gegenüberliegenden Seiten der selben
Festelektrolytschicht angeordnet sein können. Die erste
Elektrode und/oder die zweite Elektrode können auch mehrteilig
ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem
Aufbau, bei welchem die zweite Elektrode ebenfalls die erste Festelektrolytschicht
kontaktiert, kann die zweite Elektrode jedoch auch ganz oder teilweise auf
die zweite Festelektrolytschicht aufgebracht sein. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Reduzierschicht und die zweite Elektrode auf einander gegenüberliegenden
Seiten derselben Festelektrolytschicht aufgebracht. Die Verwendung
des Begriffs „dieselbe Festelektrolytschicht” schließt
jedoch nicht aus, dass diese Festelektrolytschicht allgemein auch
aus mehreren Unter-Schichten aufgebaut ist.
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Die
zweite Elektrode steht, wie oben beschrieben, vorzugsweise mit dem
mindestens einen Referenzgasraum in Verbindung, so dass Gas von der
zweiten Elektrode hin zu dem Referenzgasraum strömen kann.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise mindestens ein Referenzluftkanal
vorgesehen sein, welcher die zweite Elektrode mit dem Referenzgasraum
verbindet. Dieser Referenzluftkanal kann dementsprechend als Abluftkanal
ausgestaltet sein. Der Referenzluftkanal kann ungefüllt
ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise mit mindestens einem
gasdurchlässigen porösen Material ausgefüllt sein.
Hierfür kommen beispielsweise nicht-elektrolytische, also
isolierende Keramikmaterialien in Betracht, insbesondere Aluminiumoxid,
Al2O3. Alternativ oder
zusätzlich können jedoch auch Festelektrolytmaterialien
eingesetzt werden, insbesondere poröses Zirkondioxid oder
andere Arten von Festelektrolytmaterialien. Die Porosität
kann beispielsweise durch Beimischung eines geeigneten Porenbildners vor
einem Sintervorgang eingestellt werden.
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Die
zweite Elektrode kann beispielsweise mit mindestens einer Elektrodenfläche
dem Referenzluftkanal zuweisen. Beispielsweise kann diese mindestens
eine Elektrodenfläche ganz oder teilweise in ein gasdurchlässiges
poröses Material des Referenzluftkanals eingebettet sein.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Referenzluftkanal,
wie oben beschrieben, ganz oder teilweise mit einem porösen
Festelektrolytmaterial ausgefüllt ist, beispielsweise Zirkondioxid.
Dann wirkt der Referenzluftkanal einerseits als Elektrolyt und verringert
somit den Innenwiderstand des Sensorelements, und andererseits wirkt
der Referenzluftkanal zum Abtransport des an der zweiten Elektrode
ausgebauten Gases.
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Alternativ
oder zusätzlich zu einer vollständigen oder teilweisen
Einbettung der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode in
den Referenzluftkanal kommt auch eine andere Ausgestaltung in Betracht. So
kann die zweite Elektrode auch ganz oder teilweise zwischen mindestens
zwei Schichten des Schichtaufbaus des Sensorelements eingebettet sein,
beispielsweise zwischen zwei Festelektrolytschichten und/oder zwischen
einer Festelektrolytschicht und einer weiteren Schicht des Festelektrolyten.
In diesem Fall sollte die zweite Elektrode mit mindestens einer
Kante dem Referenzluftkanal zuweisen, so dass an dieser zweiten
Elektrode ausgebautes Gas über den Referenzluftkanal abgeführt
werden kann. Die beiden Schichten, zwischen die die zweite Elektrode
eingebettet ist, sind vorzugsweise zumindest teilweise gasundurchlässig
ausgestaltet.
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Die
Reduzierschicht kann beispielsweise an einer von außen
zugänglichen Oberfläche des Sensorelements angeordnet
sein. Für mögliche Ausgestaltungen der Reduzierschicht
kann weitgehend auf die
DE 10 2006 062 060 A1 verwiesen werden. Die Reduzierschicht
kann beispielsweise im fertigen Sensorelement und/oder in einem
Zwischenprodukt des Sensorelements derart zugänglich sein,
dass er diese bei einem Laserabgleich oder bei einer anderen Art
des Abgleichs in ihrer Position und/oder Größe
verändert werden kann. Auf diese Weise kann nach einem
Brennvorgang des Sensorelements der Innenwiderstand des Sensorelements
gezielt eingestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
entsprechendes Sensorelement nach dem Stand der Technik mit übereinanderliegender
innerer Pumpelektrode und Referenzelektrode;
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2 eine
Auswirkung eines lateralen Versatzes zweier Elektroden auf den Innenwiderstand einer
Pumpzelle;
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3 ein
erstes Ausgangsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements;
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4 eine
Abwandlung des Sensorelements gemäß 3 mit
einer Schutzschicht über der Reduzierschicht;
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5 ein
Beispiel eines Laserabgleichs des Sensorelements in 3;
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6 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements mit einem mit einer porösen Festelektrolyt-Keramik
gefüllten Referenzluftkanal;
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7 eine
Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 6 mit
einer der inneren Pumpelektrode zuweisenden Referenzelektrode; und
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8 ein
Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit zwischen zwei
Schichten des Schichtaufbaus eingebetteter Referenzelektrode.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
ein Sensorelement 110 in Schnittdarstellung gezeigt, welches
nicht Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
und welches lediglich zur Verdeutlichung der Problematik angeführt
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Sensorelements 110 ist
zur Messung eines Sauerstoffanteils in einem Messgasraum 112 eine
Pumpzelle 114 vorgesehen, welche zwei innen liegende Elektroden 116 und 118 umfasst,
die über einen Festelektrolyten 120 miteinander
verbunden sind. Beide Elektroden 116, 118 sind
dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel als innen liegende
Elektroden ausgestaltet und vom Messgasraum 112 getrennt.
Dabei ist eine erste Elektrode 116 in einem Elektrodenhohlraum 122 angeordnet,
welcher über eine Gaszutrittsbohrung 124 und eine
Diffusionsbarriere 126 zur Begrenzung eines Nachstroms
an Gas mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist.
Die erste Elektrode 116 und der Elektrodenhohlraum 122 sind
in einer ersten Schichtebene 128 angeordnet. Die zweite
Elektrode 118 hingegen ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen
Referenzluftkanal 130 mit einem Referenzgasraum 132 verbunden,
der vorzugsweise von dem Messgasraum 112, beispielsweise
einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, getrennt ist.
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Im
Betrieb des Sensorelements 110 wird Sauerstoff an der ersten
Elektrode 116 in den Festelektrolyten 120 eingebaut,
so dass die erste Elektrode 116 als innere Pumpelektrode
(IPE) fungiert. Der Sauerstoff wird durch den Festelektrolyten 120 zur zweiten
Elektrode 118, welche auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet
wird, gepumpt, dort ausgebaut und über den als Abluftkanal
fungierenden Referenzluftkanal 130 abtransportiert. Die
zweite Elektrode 118 und der Referenzluftkanal 130 liegen
in einer zweiten Schichtebene 134, welche von der ersten Schichtebene 128 verschieden
ist. Die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 liegen
somit in dem dargestellten Aufbau übereinander.
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Nachteilig
an dem in 1 dargestellten Aufbau ist jedoch,
dass der Innenwiderstand der Pumpzelle 114 vergleichsweise
gering ist. Insbesondere ist es schwierig, diesen Innenwiderstand,
welcher zur Messung und Regelung der Sondentemperatur verwendet
wird, in einen Bereich zwischen 80 Ω und 150 Ω zu
bringen. Gleichzeitig bietet der in 1 gezeigte
Aufbau mit übereinander liegenden Elektroden 116, 118 jedoch
den Vorteil, dass hier die Elektroden 116 und 118 vergleichsweise
großflächig ausgestaltet werden können,
so dass die Stromdichte über diesen Elektroden 116, 118 gering
gehalten werden kann. Hierdurch wird die Vergiftungsneigung insgesamt
minimiert.
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Eine
Möglichkeit der Anpassung des Innenwiderstands der Pumpzelle 114 würde
in einem seitlichen Versatz der Elektroden 116, 118 liegen.
Dies ist in 2 symbolisch im Inlay durch
den Buchstaben d dargestellt. Dabei zeigt 2 gleichzeitig
einen Verlauf eines hochfrequenten Innenwiderstands (hier mit RiAC
bezeichnet), gemessen in Ω. Der Innenwiderstand RiAC ist
hier gegen den lateralen Versatz d in willkürlichen Einheiten
aufgetragen. In dieser symbolischen Darstellung ist ein Sollbereich
des Innenwiderstandes mit der Bezugsziffer 136 bezeichnet.
Aus dieser Darstellung in 2 ist erkennbar, dass
die theoretische Möglichkeit einer Erhöhung des
Innenwiderstands durch einen lateralen Versatz der Elektroden 116, 118 mit
fertigungstechnischen Schwierigkeiten verbunden ist. Durch diese
Maßnahme wird zwar der Innenwiderstand wie gewünscht
erhöht, ist aber aufgrund der starken Krümmung
der in 2 dargestellten Kurve nicht fertigungsstabil einstellbar.
Im Sollbereich 136 ist die Empfindlichkeit des Innenwiderstands
RiAC auf lateralen Versatz extrem hoch. Bei den üblichen
Fertigungstoleranzen würde dies zu einer unerwünscht
hohen Streuung des Innenwiderstands führen.
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Wünschenswert
wäre daher ein Sensorelement 110, bei welchem
die beiden Elektroden 116, 118 zwar in verschiedenen
Schichtebenen angeordnet sind, bei welchem jedoch gleichzeitig auch
der Innenwiderstand im Hinblick auf die Fertigungsstabilität nahezu
unabhängig im Rahmen der Toleranzen der Elektrodenpositionen
einstellbar ist. Ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110,
welches diese Aufgabenstellung zumindest weitgehend löst,
ist in einem ersten Ausführungsbeispiel in 3 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 110,
gemäß 3, entspricht zunächst
in weiten Teilen dem Aufbau gemäß 1.
Wiederum ist eine Pumpzelle 114 mit zwei innen liegenden
Elektroden 116 und 118 vorgesehen. Von diesen
Elektroden 116, 118 ist wiederum eine erste Elektrode 116 in
einem Elektrodenhohlraum 122 in einer ersten Schichtebene 128 vorgesehen
und über eine Gaszutrittsbohrung 124 mit dem Messgasraum 112 verbunden.
Der Nachstrom von Gas wird wiederum durch eine Diffusionsbarriere 126 begrenzt.
Weiterhin ist wiederum eine zweite Elektrode 118 vorgesehen,
welche in einem Referenzluftkanal 130 angeordnet ist. Bezüglich
der möglichen Ausgestaltungen kann dementsprechend weitgehend
auf die 1 verwiesen werden.
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Im
Unterschied zum Aufbau gemäß 1 sind
jedoch die beiden Elektroden 116, 118 lateral
zueinander versetzt angeordnet. Dabei ist ein mehrschichtiger Festelektrolyt-Aufbau
gewählt, mit einer ersten Festelektrolytschicht 138,
einer zweiten Festelektrolytschicht 140 und einer Basis-Festelektrolytschicht 142.
Diese Festelektrolytschichten 138, 140, 142 können
jeweils selbst auch mehrschichtig aufgebaut sein. Zwischen diesen
Festelektrolytschichten 138, 140, 142 können
weitere Festelektrolyte 120 vorgesehen sein, welche beispielsweise
als Pasten aufgebracht werden können. Als Materialien für
die Festelektrolytschichten 138, 140, 142 können
beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid und/oder andere
Arten von keramischen Festelektrolyten eingesetzt werden. Beispielsweise
können die Festelektrolytschichten 138, 140, 142 als
Festelektrolyt-Folien ausgestaltet sein.
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Dabei
ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Referenzluftkanal 130 zwischen
der ersten Festelektrolytschicht 138 und der zweiten Festelektrolytschicht 140 ausgebildet.
Der Abstand zwischen diesen Festelektrolytschichten 138 und 140 wird
beispielsweise durch eine Festelektrolyt-Zwischenschicht 144 gewährleistet,
welche beispielsweise, wie oben beschrieben, durch ein Pasten-Verfahren erzeugt
werden kann, beispielsweise durch Siebdrucken. Dabei ist in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 116 auf
die erste Festelektrolytschicht 138 aufgebracht und die
zweite Elektrode 118 auf die zweite Festelektrolytschicht 140.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode 118 jedoch
auch auf die erste Festelektrolytschicht 138 aufgebracht
sein, wie unten näher erläutert wird. Die Elektroden 116, 118 können
zudem auch mehrteilig ausgestaltet sein, so dass beispielsweise
ein erster Elektrodenteil der zweiten Elektrode 118 die
erste Festelektrolytschicht 138 kontaktiert, und ein zweiter Elektrodenteil
der zweiten Elektrode 118 die zweite Festelektrolytschicht 140.
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Zur
Reduzierung und zur Einstellung des Innenwiderstands der Pumpzelle
114 ist
weiterhin in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit
den versetzten Elektroden
116,
118 eine Reduzierschicht
146 vorgesehen.
Diese Reduzierschicht
146 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
exemplarisch auf einer dem Messgasraum
112 zuweisenden
Oberfläche des Sensorelements
110 angeord net.
Diese Reduzierschicht
146 kann beispielsweise auch wie
in
DE 10 2006
062 060 A1 beschrieben ausgestaltet sein. Beispielsweise
kann diese Reduzierschicht
146 eine unkontaktierte Elektrode
umfassen, beispielsweise, wie auch die erste Elektrode
116 und
die zweite Elektrode
118, eine Cermet-Elektrode, also eine Metall-Keramik-Elektrode,
beispielsweise eine Platin-Cermet-Elektrode.
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Die
Reduzierschicht 146 ist vorzugsweise in einer dritten Schichtebene 147 angeordnet,
welche von der ersten Schichtebene 128 und der zweiten Schichtebene 134 verschieden
ist. Diese dritte Schichtebene 147 kann beispielsweise
eine Oberseite der zweiten Festelektrolytschicht 140 sein,
welche dem Messgasraum 112 zuweist. Allgemein können die
erste Elektrode 116 und/oder die zweite Elektrode 118 und/oder
die Reduzierschicht 146 auch einzeln oder zu mehreren mehrteilig
ausgeführt sein. Sind mehrteilige Ausführungen
vorgesehen, so können diese mehreren Teile in derselben
Schichtebene 128 bzw. 134 bzw. 147 angeordnet
sein. Auch eine Ausführung, bei welcher diese in unterschiedlichen Schichtebenen
angeordnet sind, sind jedoch grundsätzlich möglich.
Dementsprechend können mehrere erste Schichtebenen 128 und/oder
mehrere zweite Schichtebenen 134 und/oder mehrere dritte
Schichtebenen 147 vorgesehen sein.
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Die
Reduzierschicht 146 ist vorzugsweise elektrisch nicht kontaktiert,
so dass der Vorteil von nur zwei Anschlusskontakten für
die Elektroden 116, 118 erhalten bleiben kann.
Die Reduzierschicht 146 bildet Bestandteil der Pumpzelle 114 und
eröffnet, wie in 3 durch
die Bezugsziffer 148 symbolisch bezeichnet, neue Strompfade
für den Transport von Sauerstoffionen. Der Sauerstoffstrom
fließt in mageren Abgasen im Messgasraum 112 zunächst
von der ersten Elektrode 116 zur Reduzierschicht 146,
welche als Einstellelektrode für den Innenwiderstand dient.
Dort entweicht dieser als Sauerstoff. An einer anderen Stelle der
Reduzierschicht 146 wird wieder Sauerstoff eingebaut und
fließt zur Referenzelektrode. Durch diese Maßnahme
wird die Strecke des Ionenstroms in der Keramik des Festelektrolyten 120 gegenüber
den übereinander liegenden Elektroden gemäß 1 gezielt
verlängert. Diese Maßnahme erlaubt beispielsweise
fertigungstechnisch bedingte Positionstoleranzen aller beteiligten
Elektroden 116, 118 und gegebenenfalls 146,
ohne signifikanten Einfluss auf den Innenwiderstand.
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Wie
oben dargestellt, werden an der Reduzierschicht 146 kurzfristig
Sauerstoffionen ausgebaut und an anderer Stelle wiederum in den
Festelektrolyten einge baut. Dementsprechend muss die Reduzierschicht 146 einen
derartigen Einbau bzw. Ausbau ermöglichen. In anderen Worten
muss an der Reduzierschicht 146 ein Austritt bzw. Eintritt
von Gas in die Reduzierschicht 146 bzw. in die zweite Festelektrolytschicht 140 möglich
sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Reduzierschicht 146 derart
ausgestaltet ist, dass an dieser ein Gasaustausch mit dem Messgasraum 112 und/oder
einem anderen Gasraum möglich ist.
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Zu
diesem Zweck kann beispielsweise die Reduzierschicht 146,
wie im Ausgangsbeispiel gemäß 3,
unbedeckt ausgestaltet sein. Bevorzugt ist jedoch ein Ausführungsbeispiel
gemäß 4, welches im Wesentlichen im
Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht.
Im Unterschied zu 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel
jedoch die Reduzierschicht 146 durch eine gasdurchlässige
Schutzschicht 150 bedeckt. Beispielsweise kann es sich
bei dieser gasdurchlässigen Schutzschicht 150 um
eine dünne, poröse und gasdurchlässige
Keramikschicht handeln, beispielsweise Al2O3. Durch diese Schutzschicht 150 kann
die Reduzierschicht 146 beispielsweise vom Abgas im Abgastrakt
einer Brennkraftmaschine getrennt sein.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung der Reduzierschicht 146,
insbesondere in Verbindung mit den versetzten Elektroden 116, 118,
liegt, wie oben beschrieben, in der Möglichkeit, die Größe
und/oder Form der Reduzierschicht 146, welche als Innenwiderstands-Einstellelektrode
wirken kann, nachträglich über einen Laserschnitt
abzugleichen. Durch eine Anpassung der Reduzierschicht 146 über
einen derartigen Laserschnitt und/oder eine andere Art und Weise
der nachträglichen räumlichen Begrenzung bzw.
Strukturierung dieser Reduzierschicht 146, kann der Innenwiderstand
der Pumpzelle 114 nachträglich angepasst werden.
Dadurch kann die Temperaturstreuung des auf einen konstanten Innenwiderstand
geregelten Sensorelements 110 zusätzlich verringert
werden.
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Ein
derartiges Ausführungsbeispiel einer Anpassung des Innenwiderstands
der Pumpzelle 114 durch nachträgliche Strukturierung
der Reduzierschicht 146 ist exemplarisch in 5 dargestellt.
Das dargestellte Sensorelement 110 entspricht vom Aufbau
her dem Ausführungsbeispiel gemäß 3. Dargestellt
ist jedoch weiterhin ein Laserstrahl 152, mittels dessen,
wie in 5 dargestellt, die Reduzierschicht 146 gezielt
mit einem oder mehreren Schnitten und/oder an deren Arten der Strukturierung versehen
werden kann. Auch können beispielsweise gezielt bestimmte
Bereiche der Reduzierschicht 146 abgetragen werden. Dieser
Abtrag kann auch durch eine Schutzschicht 150 hindurch
erfolgen, welche in 5 nicht dargestellt ist, welche
jedoch optional zusätzlich vorhanden sein kann. Durch den
Laserschnitt lässt sich somit gezielt ein bestimmter, gewünschter
Innenwiderstand einstellen.
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In
den Ausführungsbeispielen gemäß den 3 bis 5 ist
der Referenzluftkanal 130 symbolisch als ungefüllter
Referenzluftkanal ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich
kann dieser Referenzluftkanal 130 jedoch auch ganz oder
teilweise mit einem gasdurchlässigen Material gefüllt
sein, beispielsweise einem gasdurchlässigen porösen
keramischen Material. Dies kann beispielsweise ein elektrisch und/oder
ionisch isolierendes Material sein. Alternativ oder zusätzlich
kann der Referenzluftkanal 130 jedoch auch ganz oder teilweise
mit einem Festelektrolytmaterial 120 ausgefüllt
sein, welches gasdurchlässig ist. Beispielsweise kann eine
poröse, ionenleitende Zirkondioxid-Keramik verwendet werden.
Dies ist in den Ausführungsbeispielen gemäß den 6 und 7 realisiert.
Hier ist symbolisch ein poröser Festelektrolyt mit der
Bezugsziffer 154 bezeichnet.
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Das
Ausführungsbeispiel des Sensorelements 110 gemäß 6 ist
dabei grundsätzlich analog zum Ausgangsbeispiel gemäß Figur
ausgestaltet, so dass für die Beschreibung dieses Ausgangsbeispiel
weitgehend auf die Beschreibung der 3 verwiesen
werden kann. Im Unterschied ist jedoch, wie beschrieben, der Referenzluftkanal 130 mit
dem porösen Festelektrolyten 154 gefüllt.
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Auch
in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist
zunächst ein analoger Aufbau zum Sensorelement 110 gemäß 3 gegeben.
Wiederum ist auch hier der Referenzluftkanal 130 mit dem
porösen Festelektrolyten 154 ganz oder teilweise
ausgefüllt. Weiterhin zeigt 7 noch eine
weitere Variation des Sensorelement-Aufbaus, welche oben bereits
angesprochen wurde. So ist in den Ausführungsbeispielen in
den 3 bis 5 und 6 die zweite
Elektrode 118 jeweils auf die zweite Festelektrolytschicht 140 aufgebracht.
Wie oben bereits beschrieben, ist dies jedoch nicht notwendigerweise
der Fall. So kann, wie im Ausgangsbeispiel gemäß 7 weiter ausgeführt,
die zweite Elektrode 118 beispielsweise auch auf der ersten
Elektrolytschicht 138 aufgebracht sein, so dass die erste
Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 auf
einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrolytschicht 138 aufgebracht
sind, jedoch lateral versetzt zueinander. Weiterhin können, wie
oben ebenfalls beschrieben, die erste Elektrode 116 und/oder
die zweite Elektrode 118 auch ganz oder teilweise mehrteilig
ausgestaltet sein, so dass beispielsweise auch Mischformen aus den
Ausführungsbeispielen gemäß den 6 und 7 möglich
sind.
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In
beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 6 und 7 weist
die zweite Elektrode 118 somit eine Oberfläche 156 auf,
welche dem Referenzluftkanal 130 und damit dem porösen
Festelektrolyten 154 zuweist. Auf analoge Weise weist diese
Oberfläche 156 in den Ausführungsbeispielen
gemäß den 3 bis 5 dem
ungefüllten Hohlraum des Referenzluftkanals 130 zu.
In 8 ist demgegenüber ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, in welchem die zweite Elektrode 118 vollständig
in den Festelektrolyten 120 eingebettet ist. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektrode 118 zwischen
der Festelektrolyt-Zwischenschicht 144 und der zweiten
Festelektrolytschicht 140 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich
kann die zweite Elektrode 118 in diesem Ausführungsbeispiel
jedoch auch ganz oder teilweise, beispielsweise zwischen der Festelektrolyt-Zwischenschicht 144 und
der ersten Festelektrolytschicht 138 angeordnet sein. Auch
eine mehrteilige Ausgestaltung ist grundsätzlich möglich.
Dabei weist eine Kante 158 der zweiten Elektrode 118 dem
Referenzluftkanal 130 zu, welcher, wie in 8 dargestellt,
ungefüllt ausgestaltet sein kann, oder welcher alternativ
oder zusätzlich jedoch auch ganz oder teilweise mit einem
porösen, gasdurchlässigen Material gefüllt
sein kann.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele in
den 3 bis 8 lediglich symbolisch dargestellt
sind und weitere, nicht dargestellte Elemente umfassen können.
So sind beispielsweise in den Darstellungen der Sensorelemente 110 Vorrichtungen
zur Beheizung der Sensorelemente jeweils nicht dargestellt. Auch
andere Elemente, wie beispielsweise Elektrodenzuleitungen und Elektrodenkontaktierungen,
sind jeweils nicht dargestellt. Derartige Elemente können
jedoch grundsätzlich vorhanden sein. Weiterhin können
die Ausführungsformen gemäß den Ausführungsbeispielen
auch miteinander kombiniert werden, wie oben ebenfalls beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006062060
A1 [0003, 0004, 0005, 0012, 0019, 0037]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seiten
154–159 [0002]