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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensoranordnungen mit Sensorelementen
zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem
Messgasraum. Ohne Beschränkung weiterer möglicher
Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter
Bezugnahme auf Sensorelemente mit Festelektrolyten, insbesondere
keramischen Festelektrolyten, also Materialien mit einer Leitfähigkeit
für bestimmte Ionen. Wiederum ohne Beschränkung
möglicher weiterer Ausgestaltungen und Anwendungen wird
die Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf Sensoranordnungen
und Sensorelemente, die zur Bestimmung eines Anteils, also beispielsweise
eines Prozentsatzes oder eines Partialdrucks, mindestens einer Gaskomponente
eines Gases in einem Messgasraum dienen. Derartige Sensorelemente
kommen beispielsweise als Lambdasonden zur Bestimmung eines Sauerstoff-Partialdrucks
im Kraftfahrzeugbereich und/oder allgemein in der Verbrennungstechnologie
zum Einsatz, insbesondere zur Verminderung von Schadstoffen und
werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im
Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, S. 154–159,
beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente sind auch im
Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar bzw. modifizierbar.
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Derartige
Sensorelemente weisen in der Regel eine oder mehrere Elektroden
sowie zugehörige Elektrodenzuleitungen und Elektrodenkontakte
auf. Die Elektrodenkontakte und, zumindest teilweise, auch die Elektrodenzuleitungen
sind dabei in vielen Fällen auf einer oder mehreren Oberflächen
des Sensorelements angeordnet, so dass die Elektrodenkontakte von
außen mittels entsprechender Kontaktelemente, wie beispielsweise
Kontaktfedern, kontaktierbar sind.
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Insbesondere
Sensorelemente, welche auf der Verwendung von keramischen Festelektrolyten basieren,
wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ), weisen
weiterhin in vielen Fällen ein oder mehrere Heizelemente
auf. Diese Heizelemente dienen beispielsweise zur Einstellung einer
Ionenleitfähigkeit im Festelektrolyten. Die Heizelemente
werden in der Regel durch ein oder mehrere Heizelementkontakte elektrisch
kontaktiert. Auch diese Heizelementkontakte sind in den meisten
Fällen auf der Oberfläche des Sensorelements angeordnet,
um durch entsprechende Kontaktelemente kontaktiert werden zu können.
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Allgemein
tritt bei Kontakten auf der Oberfläche der Sensorelemente
jedoch in vielen Fällen eine Problematik auf, welche in
einer Verunreinigung der Oberfläche des Sensorelements
bestehen kann. So können sich beispielsweise Kohlenwasserstoffkomponenten
auf der Oberfläche anlagern, dort gegebenenfalls chemische
Reaktionen durchführen und zu einer Kopplung zwischen den
verschiedenen Kontakten führen. Auch eingedrungene Feuchtigkeit
kann zu einer Kopplung, bis hin sogar zu Kurzschlüssen, führen.
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So
werden beispielsweise Lambdasonden mit einer Dichtung, beispielsweise
einer Viton®-Dichtung, versehen,
um diese gegen Spritzwasser im Motorraum zu schützen. Die
Dichtung wird dabei möglichst weit von der Stelle angeordnet,
an welcher die Lambdasonde eingesetzt wird, beispielsweise von dem
Sechskant, mit welchem die Lambdasonde in einen Krümmer
eines Abgastrakts eingeschraubt ist, da die Temperaturbeständigkeit
vieler Dichtungen beschränkt ist. Beispielsweise reicht
die Temperaturbeständigkeit von Viton®-Dichtungen
in der Regel lediglich bis 280 Grad Celsius. Durch eine Überhitzung des
Dichtungsmaterials kann dennoch ein Ausgasen der Dichtungskomponenten,
beispielsweise von Kohlenwasserstoffkomponenten, verursacht werden.
Die dabei freiwerdenden Gase können bei geringem Partialdruck
an der heißen Sensorelementkeramik, in porösen
Isolationsschichten und an den isolierenden Kontaktschalen abreagieren
und dabei eine Kohlenstoffablagerung hinterlassen. Diese Kohlenstoffablagerung
kann die Elektrodenkontakte der Lambdasonde im Anschlusskontaktbereich,
welcher aus der Packung der Lambdasonde herausragt, mit den Heizelementkontakten
kurzschließen und dabei eine Signaleinkopplung vom Heizelement
in die Signale der Lambdasonde verursachen. Dies kann soweit führen,
dass das Sondensignal der Lambdasonde unbrauchbar wird. Auch ein gedrungene
Feuchtigkeit kann die Heizelementkontakte mit den Elektrodenkontakten,
insbesondere einem Referenzelektrodenkontakt der Lambdasonde, kurzschließen,
so dass eine Einkopplung von Signalen aus dem Heizelement erfolgen
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Sensoranordnung vorgeschlagen, welche die oben beschriebene
Problematik der Signaleinkopplung durch Verunreinigungen und/oder
Veränderungen auf den Oberflächen von Sensorelementen
zumindest weitgehend vermeidet. Die Sensoranordnung dient zur Bestimmung
mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Diesbezüglich
kann exemplarisch auf die oben dargestellten Verwendungszwecke und
den Stand der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann die Sensoranordnung
zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas im Messgasraum
dienen.
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Die
Sensoranordnung weist mindestens ein Sensorelement auf. Insbesondere
kann es sich bei diesem Sensorelement um ein zumindest teilweise aus
einem keramischen Material hergestelltes Sensorelement handeln,
insbesondere ein planares Sensorelement in Schichttechnologie. Auch
andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Neben
dem mindestens einen Sensorelement kann die Sensoranordnung weitere
Komponenten umfassen, beispielsweise eine oder mehrere elektronische Zuleitungen,
Verbindungsstellen und/oder Schnittstellen, Schaltungen, Gehäuse,
Steuerungen oder Ähnliches.
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Das
Sensorelement weist mindestens zwei Elektroden, also mindestens
eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode, auf.
Unter Elektroden sind dabei allgemein leitende Elemente zu verstehen,
welche direkt oder indirekt an der durch das Sensorelement durchzuführenden
Messung beteiligt sind. Beispielsweise kann es sich dabei um leitende
Flächen handeln, welche mit mindestens einem Festelektrolyten
des Sensorelements in Kontakt stehen. Die Elektroden können
beispielsweise als metallische Elektroden ausgestaltet sein, mit
mindestens einem metallischen Material, und/oder als Metall-Keramik-Elektroden
(Cermets), insbesondere als Platin-Cermets. Als Festelektrolytmaterial
kann beispielsweise das bereits oben erwähnte Yttrium-stabilisierte
Zirkondioxid (YSZ) eingesetzt werden.
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Das
Sensorelement weist mindestens eine die erste Elektrode kontaktierende
erste Elektrodenzuleitung mit mindestens einem ersten Elektrodenkontakt
und mindestens eine die zweite Elektrode kontaktierende zweite Elektrodenzuleitung
mit mindestens einem zweiten Elektrodenkontakt auf. Die Elektrodenzuleitungen
können dabei grundsätzlich auch beliebig verkürzt
werden, so dass die Elektroden grundsätzlich auch unmittelbar
durch den Elektrodenkontakt kontaktiert werden können.
Die Elektrodenzuleitungen können beispielsweise gegenüber einem
optionalen Festelektrolyten des Sensorelements elektrisch isoliert
sein, so dass die Elektrodenzuleitungen nicht an der eigentlichen
Messung teilnehmen, so dass an den Elektrodenzuleitungen beispielsweise
keine Ionen in den Festelektrolyten eingebaut oder aus dem Festelektrolyten
ausgebaut werden können. Unter einem Elektrodenkontakt
ist allgemein ein von außen zugänglicher Kontakt
zu verstehen, welcher insbesondere auf ein oder mehreren Oberflächen
des Sensorelements angeordnet sein kann. Dieser von außen
zugängliche Kontakt kann beispielsweise zum Abgreifen einer
Spannung, zum Beaufschlagen des Sensorelements mit einer Spannung
und/oder zum Ableiten eines Stroms dienen. Diesbezüglich
kann auf die bekannten Sensorelemente verwiesen werden. Insbesondere
können die Elektrodenkontakte auf einer Oberseite und/oder einer
Unterseite eines planaren Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet
sein. Die Elektrodenkontakte können beispielsweise, wie
nachfolgend näher beschrieben wird, gegenüber
dem Festelektrolytmaterial durch mindestens einen Isolator isoliert
sein. Die Elektrodenkontakte können einzeln oder zu mehreren
auch mit den Elektrodenzuleitungen über ein oder mehrere
Durchkontaktierungen verbunden sein, so dass beispielsweise die
Elektrodenzuleitungen und/oder die Elektroden und die Elektrodenkontakte in
unterschiedlichen Schichtebenen des Schichtaufbaus angeordnet sein
können.
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Das
Sensorelement ist insbesondere derart ausgestaltet, dass der erste
Elektrodenkontakt mit einer elektrischen Masse und/oder einer elektrischen Erde
verbindbar ist. Zwischen einer Masse und einer Erde wird dabei im
Folgenden begrifflich nicht unterschieden, so dass in beiden Fällen
eine sehr große oder näherungsweise unendliche
Kapazität verwendet werden kann. Die Verbindung mit der
Masse und/oder der Erde kann innerhalb des Sensorelements selbst
erfolgen oder kann auch alternativ außerhalb des Sensorelements
erfolgen, beispielsweise durch weitere Komponenten der Sensoranordnung,
außerhalb des Sensor elements. Unter verbindbar ist dabei
allgemein eine Situation zu verstehen, in welcher die Verbindung
mit der Masse bzw. Erde bereits hergestellt ist oder eine Situation,
in welcher die Verbindung erst noch erfolgen kann, beispielsweise durch
zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch Einfügen
einer Verbindung und/oder Schließen eines Schalters.
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Das
Sensorelement umfasst weiterhin mindestens ein Heizelement mit mindestens
zwei Heizelementzuleitungen und mindestens zwei Heizelementkontakten.
Beispielsweise kann die Sensoranordnung eingerichtet sein, um das
Heizelement in einem Gleichstrombetrieb zu betreiben, indem einer der
Heizelementkontakte als negativer Heizelementkontakt (im Folgenden
als H– bezeichnet) beschaltet wird,
und der andere der Heizelementkontakte als positiver Heizelementkontakt
(im Folgenden als H+ Heizelementkontakt
bezeichnet). Auch andere Beschaltungen sind jedoch grundsätzlich
möglich. Insbesondere kann das Heizelement getaktet beschaltet sein
bzw. die Sensoranordnung kann eingerichtet sein, um das Heizelement
getaktet zu betreiben. In diesem Fall einer getakteten Beschaltung,
welche in der Praxis häufig eingesetzt wird, kann sich
der Heizertakt besonders störend auswirken, was durch die im
Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Idee besonders
wirksam vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
zur Vermeidung der oben beschriebenen Problematik vorgeschlagen, den
zweiten Elektrodenkontakt, was auch zumindest Teile der zweiten
Elektrodenzuleitung einschließen kann, durch die erste
Elektrodenzuleitung, also die mit der Masse bzw. Erde verbindbare
Elektrodenzuleitung, zumindest weitgehend gegenüber unerwünschten
Strömen abzuschirmen. Dementsprechend wird vorgeschlagen,
die erste Elektrodenzuleitung, insbesondere den ersten Elektrodenkontakt, derart
auszugestalten, dass diese Elektrodenzuleitung zumindest teilweise
zwischen den Heizelementkontakten, was auch Teile der Heizelementzuleitungen
einschließen kann, und dem zweiten Elektrodenkontakt angeordnet
ist.
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Unter
einer Anordnung zwischen dem zweiten Elektrodenkontakt und den Heizelementkontakten
ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher unerwünschte
Ströme zwischen dem zweiten Elektrodenkontakt und den Heizelementkontakten von
der ersten Elektrodenzuleitung zumindest stark beeinflusst werden,
Potenzial der ersten Elektrodenzuleitung stark beeinflusst werden,
ins besondere zu der ersten Elektrodenzuleitung abgeleitet werden. Bei
diesen unerwünschten Strömen kann es sich insbesondere
um Ströme handeln, die durch die oben beschriebenen Oberflächenverunreinigungen
hervorgerufen werden, welche jedoch auch in tieferen Regionen wirken
können. In anderen Worten wird die erste Elektrodenzuleitung
elektrisch zwischen die Heizelementkontakte bzw. mindestens einen
der Heizelementkontakte und den zweiten Elektrodenkontakt geschaltet.
Diese elektrische Schaltung bewirkt, dass die durch die beschriebenen
Verunreinigungseffekte verursachten Ströme zwischen den
Heizelementkontakten bzw. einem dieser Heizelementkontakte und dem
zweiten Elektrodenkontakt die erste Elektrodenzuleitung passieren
müssen und/oder zumindest stark von der ersten Elektrodenzuleitung
beeinflusst werden, vorzugsweise in zu dieser abgeleitet werden.
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Allgemein
soll der Begriff der Oberfläche im Rahmen der vorliegenden
Erfindung weit zu fassen ist. So können unter Oberflächen
allgemein auch oberflächennahe Schichten des Sensorelements
verstanden werden, also Schichten, in welchen sich beispielsweise
die beschriebenen Verunreinigungseffekte noch bemerkbar machen können.
Diese oberflächennahe Schichten können beispielsweise
einige atomare Lagen oder Moleküllagen von der eigentlichen
Grenzfläche ins Innere des Sensorelements bzw. die betroffene
Schicht hineinreichen. Allgemein soll die Oberfläche somit
die Bereiche umfassen, welche durch die beschriebenen Verunreinigungseffekte
von Kurzschlüssen betroffen sein können. Auch in
tieferen Regionen können sich die beschriebenen Verunreinigungseffekte
auswirken, so dass auch derartige tiefere verunreinigte Regionen,
in welchen die beschriebenen Effekte auftreten, vom Begriff der Oberfläche
erfasst sein sollen.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Schaltung, durch
welche die erste Elektrodenzuleitung elektrisch zwischen die Heizelementkontakte
bzw. mindestens einen der Heizelementkontakte und den zweiten Elektrodenkontakt
geschaltet ist, kann auf verschiedene Weisen realisiert werden.
Zum einen kann dies dadurch erfolgen, dass die erste Elektrodenzuleitung
ein elektrisches Feld im Bereich der unerwünschten Ströme
zumindest stark beeinflusst, vorzugsweise derart, dass die unerwünschten
Ströme umgeleitet werden. Dies kann beispielsweise dadurch
erfolgen, dass die erste Elektrodenzuleitung an und/oder auf einer
Oberfläche angeordnet ist und beispielsweise ein elektrisches
Feld im Inneren einer oder mehrerer Schichten unterhalb der ersten
Elektrodenzuleitung beeinflusst. Für uner wünschte
Ströme in einem Festelektrolytmaterial, beispielsweise YSZ
bzw. ZrO2, bewirkt beispielsweise in der
Regel auch eine Leiterbahn der ersten Elektrodenzuleitung auf einer
Oberfläche des Festelektrolytmaterials, da diese Leiterbahn,
welche mit einer elektrischen Masse und/oder Erde verbunden ist,
das elektrische Feld im Festelektrolyten beeinflusst. Ebenso kann
die Beeinflussung durch die geerdete erste Elektrodenzuleitung wirken,
wenn diese innerhalb des Festelektrolyten angeordnet ist, wobei
beispielsweise die Heizelementkontakte bzw. mindestens einer der
Heizelementkontakte und der zweite Elektrodenkontakt direkt oder
indirekt mit dem Festelektrolyten verbunden sind. Auch in diesem
Fall ergibt sich die beschriebene Abschirmwirkung, bei welcher die
störenden Ströme durch die abschirmende erste
Elektrodenzuleitung abgeleitet und/oder zumindest stark vermindert werden.
Dementsprechend kann die als Schirmungsleiterbahn wirkende erste
Elektrodenzuleitung beispielsweise unterhalb des zweiten Elektrodenkontakts,
beispielsweise dem Referenzelektrodenkontakt, angeordnet sein und/oder
im Inneren des Festelektrolyten.
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Ebenso
kann, alternativ oder zusätzlich, der unerwünschte
Strompfad zwischen den Heizelementkontakten und/oder mindestens
einem der Heizelementkontakte und dem zweiten Elektrodenkontakt
auch zumindest teilweise in einem isolierenden Material auftreten,
beispielsweise einem Aluminiumoxid, insbesondere Al2O3. Beispielsweise kann der Strompfad ganz
oder teilweise durch eine oder mehrere poröse Isolationsschichten
im Inneren des Schichtaufbaus und/oder in einer oberflächlichen
porösen Isolationsschicht verlaufen. Auch in diesem Fall
kann die mindestens eine abschirmende erste Elektrodenzuleitung
elektrisch im Sinne der obigen Definition zwischen die Heizelementkontakte und/oder
mindestens einen der Heizelementkontakte und den zweiten Elektrodenkontakt
geschaltet werden, so dass die unerwünschten Verunreinigungsströme
zumindest unterdrückt und vorzugsweise vollständig
zur ersten Elektrodenzuleitung abgeleitet werden.
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Wiederum
alternativ oder zusätzlich kann die beschriebene Abschirmung
durch die erste Elektrodenzuleitung insbesondere auch dadurch geschehen,
dass das Sensorelement mindestens eine Sensorelementoberfläche
aufweist, wobei der erste Elektrodenkontakt derart ausgestaltet
ist, dass dieser den zweiten Elektrodenkontakt auf der Sensorelementoberfläche
zumindest teilweise umschließt. Der Begriff der Sensorelementoberfläche
ist dabei im Sinne der obigen Definition des Begriffs Oberfläche
weit zu fassen und kann neben der unmittelbaren Ober fläche auch
oberflächennahe Schichten umfassen und/oder auch tiefer
gelegene Schichten, in welchen sich Verunreinigungen bemerkbar machen
können und/oder Schichten, durch welche hindurch die Abschirmung durch
den ersten Elektrodenkontakt wirksam werden kann. Dementsprechend
kann die Sensorelementoberfläche, in welcher der erste
Elektrodenkontakt den zweiten Elektrodenkontakt zumindest teilweise
umschließt, auch in tiefer gelegenen Schichten angeordnet
sein.
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Das
Umschließen des zweiten Elektrodenkontakts durch den ersten
Elektrodenkontakt kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die
erste Elektrodenzuleitung, insbesondere der erste Elektrodenkontakt,
mindestens eine Schirmungsleiterbahn umfasst, also eine elektrisch
leitfähige Bahn, welche den zweiten Elektrodenkontakt zumindest
teilweise, vorzugsweise vollständig, umschließt.
Diese Schirmungsleiterbahn kann Bestandteil der ersten Elektrodenzuleitung
und/oder ausschließlich des ersten Elektrodenkontakts sein.
Zusätzlich zu der mindestens einen Schirmungsleiterbahn
kann der mindestens eine erste Elektrodenkontakt weiterhin mindestens
eine erste Elektrodenkontaktfläche aufweisen, welche beispielsweise
von einem Kontaktelement, beispielsweise einem Federkontakt, elektrisch
kontaktiert werden kann.
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Die
Schirmungsleiterbahn kann insbesondere Platin aufweisen, insbesondere
eine schmale Platin-Schirmungsleiterbahn. Unter einer schmalen Schirmungsleiterbahn
ist dabei eine Schirmungsleiterbahn zu verstehen, welche im Vergleich
zur lateralen Erstreckung der ersten Elektrodenkontaktfläche klein
ausgestaltet ist, beispielsweise eine Leiterbahn mit geringer Breite.
Alternativ oder zusätzlich zu Platin können auch
andere Metalle verwendet werden, insbesondere andere Edelmetalle,
beispielsweise Palladium. Insbesondere kann wiederum eine schmale
Palladium-Schirmungsleiterbahn eingesetzt werden. Wiederum alternativ
oder zusätzlich zu den beiden genannten Optionen kann auch
ein elektrisch leitfähiges keramisches Material eingesetzt
werden, d. h. ein keramisches Material, welches eine Elektronenleitfähigkeit,
insbesondere eine hohe Elektronenleitfähigkeit, aufweist.
Beispielsweise kann es sich bei diesem elektrisch leitfähigen
keramischen Material um ein Metall-dotiertes keramisches Material
handeln, insbesondere ein Titan-dotiertes Zirkondioxid, insbesondere
mit hoher Elektronenleitfähigkeit.
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Die
Schirmungsleiterbahn kann insbesondere vollständig oder
teilweise in Bereichen des Sensorelements angeordnet werden, in
welchen diese durch Kontaktelemente beim Kontaktieren des Sensorelements
nicht oder lediglich geringfügig beschädigt wird.
So kann die Schirmungsleiterbahn beispielsweise zumindest teilweise
in einem bei einer Kontaktierung des Sensorelements in der Sensoranordnung
nicht von Kontaktelementen, beispielsweise reibenden Kontaktfedern,
mechanisch belasteten Bereich des Sensorelements angeordnet sein.
Beispielsweise kann es sich bei diesem nicht oder lediglich geringfügig
belasteten Bereich um einen Randbereich und/oder Kantenbereich des
Sensorelements handeln, beispielsweise einen Randbereich und/oder
Kantenbereich auf einer Oberfläche des Sensorelements,
beispielsweise einer Oberseite.
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Wie
oben dargestellt, kann das Sensorelement auf verschiedene Weisen
ausgestaltet sein und betrieben werden, welche grundsätzlich
aus dem Stand der Technik bekannt sind. So kann das Sensorelement
beispielsweise eine Sprungsonde, einen Proportionalzähler
oder ähnliche Sensorelemente umfassen beziehungsweise in
diesen Funktionen betrieben werden. Dabei kann das Sensorelement
beispielsweise als einzelliges Sensorelement ausgestaltet sein,
beispielsweise lediglich mit einer Nernstzelle oder einer Pumpzelle.
Alternativ sind jedoch auch mehrzellige Sensorelemente möglich,
beispielsweise die aus dem Stand der Technik bekannten Breitband-Lambdasonden.
Insbesondere kann das Sensorelement derart ausgestaltet sein, dass
die erste Elektrode als Messelektrode ausgestaltet ist und direkt
oder indirekt mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die erste Elektrode
unmittelbar mit dem Messgasraum in Verbindung steht oder lediglich über
eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht. Alternativ
oder zusätzlich kann die mindestens eine Elektrode jedoch
auch auf indirekte Weise mit dem Messgasraum in Verbindung stehen,
beispielsweise über einen Verbindungsweg, in welchem ein
oder mehrere eine Strömung und/oder eine Diffusion begrenzende
Elemente aufgenommen sind, beispielsweise mindestens eine Diffusionsbarriere. Letzteres
ist insbesondere bei Sensorelementen mit mindestens einer Pumpzelle
in vielen Fällen üblich.
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Die
zweite Elektrode kann dann insbesondere als Referenzelektrode ausgestaltet
sein, wobei die Referenzelektrode direkt oder indirekt mit einem
Referenzgas beaufschlagbar ist. Unter einem Referenzgas ist dabei
ein Gas einer bekannten Gasgemischzusammensetzung und/oder mit bekannten
Eigenschaften zu verstehen. Beispielsweise kann es sich dabei um
Umgebungsluft und/oder ein Gasgemisch mit bekannter Luftzahl Lambda
handeln. Das Referenzgas kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden,
dass ein Referenzluftkanal vorgesehen ist, welcher beispielsweise
mit einem Umgebungsraum in einem Motorraum in Verbindung steht.
Alternativ oder zusätzlich kann das Referenzgas jedoch
auch beispielsweise durch einen abgeschlossenen oder im Wesentlichen
abgeschlossenen Raum bereitgestellt werden, welcher als gepumpte
Referenz betrieben wird, in dem gezielt eine bestimmte Gasgemischzusammensetzung
in diesem Referenzgasraum erzeugt wird. Auch andere Ausgestaltungen
sind grundsätzlich möglich. Neben der mindestens
einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode,
können weitere Elektroden vorgesehen sein. Derartige Mehrelektrodenanordungen
finden sich insbesondere in mehrzelligen Sensorelementen, wie beispielsweise
den aus dem Stand der Technik bekannten Breitband-Sensorelementen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, dass eine Einkopplung unerwünschter Signale
durch Modifikationen, Verunreinigungen oder Belegung von Oberflächen
der Sensorelemente insbesondere auf den üblicherweise in
den Sensorelementen verwendeten Isolationsschichten stattfindet.
So werden beispielsweise auf den Oberflächen in vielen
Fällen Aluminiumoxide, beispielsweise Al2O3, als Isolationsschicht eingesetzt. Diese
Isolationsmaterialien weisen jedoch in vielen Fällen raue
und poröse Oberflächen auf, über welche
die unerwünschte Kopplung in höherem Maße
stattfindet als auf Festelektrolytmaterialien, beispielsweise ZrO2. Dementsprechend wird in einer bevorzugten
weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den zweiten
Elektrodenkontakt zumindest teilweise auf einem nicht-isolierenden
Material aufzubringen und/oder von einem nicht-isolierenden Material
zu umgeben. Insbesondere kann es sich bei diesem nicht-isolierenden
Material um ein Festelektrolytmaterial handeln, insbesondere ein ZrO2-enthaltendes Festelektrolytmaterial. Beispielsweise
kann es sich bei diesem Festelektrolytmaterial wiederum um YSZ handeln.
Diese Einbringung des nicht-isolierenden Materials, beispielsweise
des Festelektrolytmaterials, kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass eine Banderole aus offenliegendem nicht-isolierendem Material,
beispielsweise einem ionisch nicht-isolierenden Material und/oder
einem elektrisch nicht-isolierenden Material, zwischen den Elektrodenkontakten,
also beispielsweise zwischen dem zweiten Elektrodenkontakt und dem
ersten Elektrodenkontakt bzw. der Schirmungsleiterbahn des ersten
Elektrodenkontakts, eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich
kann der zweite Elektrodenkontakt auch auf das nicht-isolierende
Material aufgedruckt werden. So kann beispielsweise eine Banderole
und/oder ein Stück, beispielsweise ein Patch, des nicht-isolierenden
Materials unterhalb des zweiten Elektrodenkontakts vorgesehen sein.
Dieses Stück des nicht-isolierenden Materials steht vorzugsweise
nicht in Verbindung mit weiteren nicht-isolierenden Materialien
des Sensorelements, beispielsweise dem eigentlichen Festelektrolyten
des Sensorelements, um unerwünschte Elektrodenreaktionen an
dem zweiten Elektrodenkontakt zu vermeiden. Beispielsweise kann
ein ZrO2-patch vorgesehen sein, auf welchen
der zweite Elektrodenkontakt aufgedruckt wird, welche jedoch nicht
mit dem übrigen Festelektrolyten in Verbindung steht.
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Die
vorgeschlagene Sensoranordnung weist gegenüber bekannten
Sensoranordnungen zahlreiche Vorteile auf. So kann beispielsweise
eine Leiterbahn einer geerdeten Außenelektrode zwischen
einer hochohmig abgeschlossene Referenzelektrode und eine Heizerleitung
verlegt bzw. angeordnet werden, wodurch direkte Kopplungsströme
zu einer Masse bzw. Erde abgeleitet werden können. Der Kopplungswiderstand
parallel bzw. zu einer Nernstzelle (welche die erste Elektrode,
die zweite Elektrode und einen diese Elektroden verbindenden Festelektrolyten
umfassen kann) stört den Betrieb des Sensorelements nicht.
Eine Kopplung des Heizertakts zur Nernstzelle findet dann jedoch
nicht mehr statt. Über den ersten Elektrodenkontakt, beispielsweise
die Schirmungsleiterbahn, können alle Ströme des
Heizers abgeleitet werden. So kann eine kritische Kontaktstelle
der Referenzelektrode rundherum mit der geerdeten Schirmungsleiterbahn
der Außenelektrode umgeben werden. Hierdurch ist in der
Regel kein direkter Verunreinigungspfad, beispielsweise Kohlenstoffpfad,
auf und/oder in der Sensoroberfläche möglich,
der nicht über ein geerdetes Potenzial führen
würde, sodass eine Einkopplung der Heizerspannung zumindest
weitgehend vermieden wird. Die angeschlossene Schirmungsleiterbahn
kann mit der ersten Elektrode zusammen einen geschlossenen Ring
um den zweiten Elektrodenkontakt, beispielsweise den Elektrodenkontakt
einer Referenzelektrode, bilden. Dadurch kann keine oberflächlich liegende
Verbindung zwischen der zweiten Elektrode, beispielsweise der Referenzelektrode,
und dem Heizeranschluss mehr erfolgen.
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Etwaige
entstehende Kurzschlüsse zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode, beispielsweise zwischen einer Referenzelektrode und
einer Messelektrode, welche in der Regel einen Widerstand von ca.
10–100 kΩ aufweisen, beispielsweise in Folge von
Kohlenstoffablagerungen und/oder Feuchtigkeit, sind jedoch in der
Regel groß im Vergleich mit dem parallel geschalteten Innenwiderstand
der die erste Elektrode und die zweite Elektrode umfassenden Zelle
des Sensorelements, beispielsweise einer Nernstzelle. Dieser Innenwiderstand,
beispielsweise der Innerwiderstand einer die erste Elektrode und
die zweite Elektrode sowie einen diese Elektroden verbindenden Festelektrolyten
umfassenden Nernstzelle, liegt in der Regel in der Größenordnung
von ca. 100 Ω. Daher bleibt der Kurzschlussstrom lange
unwirksam, verglichen mit der verursachten Heizereinkopplung eines
Widerstands von 10–100 kΩ parallel zum Isolationswiderstand
des Sensorelements, welcher in der Regel bei ca. 30 MΩ liegt,
ohne die oben beschriebene Abschirmung der zweiten Elektrode. Eine
direkte Einkopplung in die mit der Erde bzw. Masse verbundene erste
Elektrode bzw. deren Elektrodenzuleitung bzw. deren Elektrodenkontakt,
ist für die Heizereinkopplung jedoch in der Regel vollständig
unschädlich, da der Spannungsabfall in dieser Zuleitung
gering ist, da der Zuleitungswiderstand in der Regel gering ist
verglichen mit dem Kopplungswiderstand.
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Die
oben dargestellten Abschirmmaßnahmen lassen sich technisch
vergleichsweise einfach realisieren. So kann beispielsweise die
mindestens eine Schirmungsleiterbahn, um Edelmetall einzusparen,
vergleichsweise schmal ausgeführt werden. Die Leiterbahn
kann, wie oben dargestellt, alternativ oder zusätzlich
aus anderen Materialien hergestellt werden, beispielsweise Palladium.
Es können auch kostengünstig verfügbare
Metalle eingesetzt werden. Auch können, wie oben dargestellt,
dotierte Festelektrolytmaterialien mit hoher Elektronenleitfähigkeit
eingesetzt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf
aus dem Stand der Technik bekannte Potenzialausgleichsschichten
zurückgegriffen. Derartige Potenzialausgleichsschichten
sind beispielsweise aus
DE
198 57 468 A1 (dort als elektronenleitende Zwischenschicht
bezeichnet) oder aus
DE
198 57 470 A1 (dort als keramische Schicht, welche zumindest
elektronenleitend ist, bezeichnet) bekannt. Dementsprechend wird
vorgeschlagen, das Sensorelement derart auszugestalten, dass dieses mindestens
einen Festelektrolyten aufweist.
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Das
Heizelement ist durch mindestens eine Isolationsschicht, beispielsweise
eine Al2O3-Schicht oder
mehrerer derartiger Schichten, elektrisch gegen den Festelektrolyten
isoliert. Weiterhin ist zwischen dem Heizelement und dem Festelektrolyten
mindestens eine Potenzialausgleichsschicht vorgesehen. Diese Potenzialausgleichsschicht
kann beispielsweise innerhalb der Isolationsschicht und/oder zwischen der
Isolationsschicht und dem Festelektrolyten und/oder auch innerhalb
des Festelektrolyten zwischen dem Heizelement und den Elektroden
und den Elektrodenzuleitungen, angeordnet sein.
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Die
Potenzialausgleichsschicht, welche als Potenzialausgleichsfläche
dient, kann insbesondere innerhalb der Isolationsschicht der Heizerisolation angeordnet
sein. Die Potenzialausgleichsschicht kann insbesondere hochohmig
ausgestaltet sein. Insbesondere muss die Potenzialausgleichsschicht lediglich
weniger hochohmig ausgestaltet sein als der durch die Verunreinigungen
bedingte Kurzschlusspfad. Die hochohmige Potenzialausgleichsschicht kann
beispielsweise vollständig oder teilweise aus den in den
DE 198 57 468 A1 oder
DE 198 57 470 A1 beschriebenen
Materialien hergestellt sein. So können beispielsweise
metallische Materialien verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich
können auch elektronenleitende oder zumindest elektronenleitende
keramische Materialien verwendet werden. Bezüglich der
Effekte, möglichen Materialien und möglichen Ausgestaltungen
kann weitgehend auf die genannten Schriften verwiesen werden. Die
mindestens eine Potenzialausgleichsschicht kann somit beispielsweise
ein Platingitter und/oder ein Platinnetz umfassen, welches beispielsweise
unmittelbar über der Isolationsschicht angeordnet sein
kann und/oder innerhalb der Isolationsschicht. Auch andere dünne elektronenleitfähige
Metallschichten können beispielsweise eingesetzt werden.
Die hochohmige Potenzialausgleichsschicht muss jedoch nicht notwendigerweise
aus metallischen Materialien wie beispielsweise Platin bestehen,
sondern kann auch beispielsweise die in
DE 198 57 470 A1 beschriebenen leitenden
Zwischenschichten umfassen, wobei vollumfänglich auf die
dort genannten Materialien verwiesen werden kann. Hierdurch lassen
sich erhebliche Kosten einsparen. Durch die Potenzialausgleichsschicht
lässt sich die Einkopplung von Störsignalen aus
dem Heizelement zumindest weitgehend vermindern. Die mindestens
eine Potenzialausgleichsschicht kann beispielsweise wiederum mit
einer Masse und/oder einer Erde verbunden bzw. verbindbar sein.
Auch eine unkontaktierte Potenzialausgleichsschicht ist jedoch grundsätzlich
denkbar.
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Durch
die Verwendung der mindestens einen Potenzialausgleichsschicht kann
insbesondere auf einen extrem hohen Isolationswiderstand verzichtet werden,
wie er bei bisherigen Heizerisolationen typischerweise erforderlich
war. Trotzdem kann eine zumindest weitgehend ideale Isolationswirkung
erzielt werden, da durch den ersten Teil der Isolationsschicht bis
hin zur Potenzialausgleichsschicht die Ausgangsimpedanz der Störquelle
hochohmig ausgestaltet wird und damit auch nicht mehr in die in
der Regel nur hochohmig abgeschirmten Elektroden, insbesondere die
mindestens eine zweite Elektrode, einkoppeln kann. Bei bisherigen
Ausführungen war es in der Regel erforderlich, eine unerwünschte
Heizereinkopplung durch erhebliche technische Anstrengungen zu unterdrücken.
Insbesondere musste in der Regel eine Heizerisolation sehr hochohmig ausgestaltet
werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
hingegen ist nunmehr eine einfachere Heizerisolation ausreichend,
da der Verunreinigungsstrom zuvor abgefangen wird. Für
die Realisierung kann beispielsweise auf
DE 198 57 470 A1 verwiesen werden
für innen im Festelektrolyten liegende Potenzialausgleichsschichten.
Erfindungsgemäß kann darüber hinaus,
alternativ oder zusätzlich, auch die oben beschriebene
oberflächliche Schirmungsleiterbahn verwendet werden, welche
auch Ströme im Inneren des Sensorelements umleiten und/oder
ableiten kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A und 1B verschiedene
Detailansichten eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelements;
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1C ein
Ersatzschaltbild einer das Sensorelement gemäß den 1A und 1B umfassenden
Sensoranordnung;
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2A eine
zu 1A analoge Darstellung einer erfindungsgemäßen
Ausgestaltung eines Sensorelements;
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2B ein
Ersatzschaltbild einer das Sensorelement gemäß 2A umfassenden
Sensoranordnung.
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In
den 1A und 1B ist
ein dem Stand der Technik entsprechendes Sensorelement 110 dargestellt.
Dieses Sensorelement 110 kann beispielsweise Bestandteil
einer Sensoranordnung 112 sein, welche neben dem Sensorelement 110 weitere
Elemente, beispielsweise das Sensorelement 110 kontaktierende
Kontaktelemente aufweisen kann, die in den Figuren nicht dargestellt
sind. Im Weiteren sei angenommen, dass es sich bei dem Sensorelement 110 um
eine Lambdasonde handelt, welche als Sprungsonde ausgestaltet ist
und eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode
(im Folgenden als RE bezeichnet) und eine dem Messgasraum zuweisende
Messelektrode (im Folgenden als Außenelektrode bezeichnet)
aufweist. Die Elektroden sind im dargestellten Fall jeweils nicht
gezeigt. Für die Ausgestaltung des Sensorelements kann
beispielsweise auch kommerziell erhältliche Sensorelemente
vom Typ LSF der Robert Bosch GmbH verwiesen werden oder auf den
oben zitierten Stand der Technik.
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1A zeigt
eine Teilansicht einer Oberseite 114 des planaren Sensorelements 110,
wohingegen 1B eine Teilansicht einer Unterseite 116 des Sensorelements 110 zeigt.
Dabei wird ersichtlich, dass auf der Oberseite 114 im dargestellten
Ausführungsbeispiel ein erster Elektrodenkontakt 118 angeordnet
ist, welcher Bestandteil einer ersten Elektrodenzuleitung 120 ist,
welche die erste Elektrode (Außenelektrode) kontaktiert.
Weiterhin ist auf der Oberseite 114 ein zweiter Elektrodenkontakt 122 vorgesehen,
welcher Bestandteil einer zweiten Elektrodenzuleitung 124 ist.
Diese zweite Elektrodenzuleitung 124 kontaktiert die zweite
Elektrode, welche als Referenzelektrode fungiert. Da diese zweite
Elektrode im dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren
des Schichtaufbaus angeordnet ist, ist auch die zweite Elektrodenzuleitung 124,
bis auf den zweiten Elektrodenkontakt 122, im Inneren des
Schichtaufbaus angeordnet (in 1A gestrichelt
dargestellt). Über eine Durchkontaktierung 126 ist
der zweite Elektrodenkontakt 122 mit der zweiten Elektrodenzuleitung 124 verbunden,
so dass die zweite Elektrodenzuleitung 124 von der in 1A dargestellten
Oberfläche 114 aus elektrisch kontaktierbar ist.
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Das
Sensorelement weist eine oder mehrere Festelektrolytschichten 128 auf.
Diese sind auf der Oberseite 114 von den Elektrodenzuleitungen 120, 124 durch
eine oder mehrere Isolatorschichten 130 elektrisch isoliert,
sodass keine unerwünschte Kontaktierung des Festelektrolyten 128 durch
die Elektrodenzuleitungen 120, 124 erfolgen kann.
Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt 128 bilden
im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Nernstzelle,
welche in 1A nicht gezeigt ist. Neben
dieser Nernstzelle umfasst das Sensorelement 110 im dargestellten
Ausführungsbeispiel ein Heizelement 132, welches
ebenfalls im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist. Dieses Heizelement 132 umfasst
Heizelementzuleitungen 134, 136 mit Heizelementkontakten 138, 140.
Diese Heizelementkontakte 138, 140 sind in 1B symbolisch
mit H+ bzw. H– bezeichnet,
um eine Beschattung des Heizelements 132 durch übrige
Bestandteile der Sensoranordnung 112 zu symbolisieren.
Die Heizelementkontakte 138, 140 sind auf der
Unterseite 116 des Sensorelements 110 angeordnet
und über Durchkontaktierungen 126 mit den übrigen
Heizelementzuleitungen 134 bzw. 136 verbunden.
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In 1C ist
ein Ersatzschaltbild der Sensoranordnung 112 gemäß den 1A und 1B dargestellt.
Dabei ist die Nernstzelle des Sensorelements mit der Bezugsziffer 142 bezeichnet,
die erste Elektrode symbolisch mit der Bezugsziffer 144 und die
zweite Elektrode symbolisch mit der Bezugsziffer 146. Die
Nernstzelle 142 ist symbolisch durch einen Innenwiderstand
RI gekennzeichnet, sowie durch eine Nernstspannungsquelle
UN. Das Heizelement 132 ist in 1C durch
seine beiden Heizelementzuleitungen 134, 136 sowie
einen Heizerwiderstand RH symbolisiert.
Das Heizelement 132 wird getaktet geschaltet, was in Figur 110 durch
einen Taktungsschalter 148 symbolisiert ist. Dieser Taktungsschalter 148 kann
beispielsweise nicht Bestandteil des Sensorelements 110 sind
in übrigen Bestandteilen der Sensoranordnung 112 aufgenommen
sein. Das Sensorelement 110 der Sensoranordnung 112 wird üblicherweise
derart betrieben, dass die erste Elektrodenzuleitung mit einer elektrischen
Masse 150 verbunden wird. Dies ist in 1C angedeutet.
Weiterhin ist in 1C ein Zuleitungswiderstand
RZ angedeutet, welcher den Widerstand der
Zuleitung zu den Elektroden 144, 146 symbolisiert.
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Im
Betrieb der Sensoranordnung 112 ist das Heizelement 132 typischerweise
in mindestens eine Isolationsschicht eingebettet, welche in 1C symbolisch
mit der Bezugsziffer 152 bezeichnet ist. Diese Isolationsschicht
weist den Widerstand RISO auf. Über diesen
Widerstand ist beispielsweise die Heizelementzuleitung 134 mit
der zweiten Elektrodenzuleitung 124 verbunden. Dieser Widerstand
liegt typischerweise in der Größenordnung von
10–100 MΩ. Durch die oben beschriebenen Effekte
einer Ablagerung und gegebenenfalls Reaktion von Kohlenwasserstoffkomponenten
der Dichtung auf der heißen Sensorelementkeramik des Sensorelements 110 im
Bereich der Anschlusskontakte 118, 122, 138, 140 kann es
auf den Oberflächen 114, 116 des Sensorelements
zu Kohlenstoffbrücken und/oder zu anderen Verunreinigungen,
wie beispielsweise Anlagerung von Wasser, kommen. Auf diese Weise
können sich auf diesen Oberflächen 114, 116 insbesondere
zwischen dem zweiten Elektrodenkontakt 122 der Referenzelektrode
RE (zweite Elektrode 146) und dem Heizelementkontakt 140 des
negativen Heizkontaktes H– weitere
elektrische Verbindungen, bis hin zu Kurzschlüssen, ergeben.
Dies ist in 1C durch den Kurzschlusswiderstand
R2 symbolisiert. Hierdurch kann es zu einer
unerwünschten Einkopplung von Heizerkontakten in das Signal
der Sensoranordnung 112 kommen.
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In 2A ist
demgegenüber eine zu 1A analoge
Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 bzw.
einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 112 ausschnittsweise
dargestellt. Wiederum weist das Sensorelement 110 eine
erste Elektrodenzuleitung 120 mit einem ersten Elektrodenkontakt 118 sowie
eine zweite Elektrodenzuleitung 124 mit einem zweiten Elektrodenkontakt 122 auf,
wobei weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform in 1A ist
in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
die erste Elektrodenzuleitung 120 jedoch derart ausgestaltet,
dass diese den zweiten Elektrodenkontakt 122 umschließt.
Zu diesem Zweck weist die erste Elektrodenzuleitung 120 in
dem dargestellten Beispiel eine Schirmungsleiterbahn 154, welche
im dargestellten Beispiel als rechteckiger Rahmen ausgestaltet ist.
Die Schirmungsleiterbahn 154 kann beispielsweise als schmale
Platin-Leiterbahn oder als Leitbahn aus Palladium oder alternativ oder
zusätzlich als Leiterbahn aus Titan-dotiertem Zirkondioxid
mit hoher Elektronenleitfähigkeit hergestellt werden, beispielsweise
durch ein Druckverfahren. Dies ist fertigungstechnisch leicht zu
realisieren. Der Rahmen der Schirmungsleiterbahn 154 ist
möglichst in Randbereichen der Oberseite 114 angeordnet,
also in Berei chen, in welchen dieser nicht durch Kontaktelemente,
mittels derer der zweite Elektrodenkontakt 122 in der Sensoranordnung 112 kontaktiert
wird, beschädigt werden kann. Die Schirmungsleiterbahn 154 bewirkt,
dass der zweite Elektrodenkontakt 122 der Referenzelektrode
RE (zweite Elektrode 146) rundherum mit der geerdeten ersten
Elektrodenzuleitung 120 umgeben ist. Dadurch ist kein direkter
Kohlenstoffpfad bzw. Verunreinigungspfad auf der Sensoroberfläche 144, 116 möglich,
der nicht über ein geerdetes Potenzial führen
würde. Hierdurch ist keine direkte Einkopplung der Heizerspannung
des Heizelements 132 in die kritische Kontaktstelle der
Referenzelektrode RE mehr vorhanden. Dies wird unten anhand 2B näher
erläutert.
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Weiterhin
ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A eine
optionale Möglichkeit realisiert, die Kohlenstoffpfade
auf der Sensoroberfläche 114, 116 weiter
zu reduzieren. Dabei ist der zweite Elektrodenkontakt 122 nicht
mehr unmittelbar auf die Oberfläche der Isolatorschichten 130 aufgedruckt,
sondern zwischen den Isolatorschichten 130 und dem zweiten Elektrodenkontakt 122 ist
eine Festelektrolytschicht 156 aufgebracht, auf welche
der zweite Elektrodenkontakt 122 aufgedruckt ist. Diese
Festelektrolytschicht 156 kann beispielsweise Zirkondioxid
sein, beispielsweise eine Banderole aus offenliegendem Zirkondioxid,
ohne Al2O3-Isolation.
Da sich auf dieser Festelektrolytschicht 156 erfahrungsgemäß in
geringerem Maße Verunreinigungen anlagern als auf den Isolationsschichten 130,
trägt dies zusätzlich zu einer Verringerung der
Signaleinkopplung in den kritischen zweiten Elektrodenkontakt 122 bei.
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In 2B ist,
in analoger Darstellung zu 1C, wiederum
ein Ersatzschaltbild der Sensoranordnung 112 gemäß 2A dargestellt.
Für die Bestandteile dieses Ersatzschaltbilds kann weitgehend auf
die Beschreibung der 1C verwiesen werden. Wie in 2B symbolisch
durch die Vertauschung der Reihenfolge der Elektrodenzuleitungen 120, 124 dargestellt
ist, ist nunmehr jedoch die erste Elektrodenzuleitung 120,
welche mit der Masse 150 elektrisch verbunden ist (das
heißt geerdet ist) zwischen die zweite Elektrodenzuleitung 124 und
die Heizelementzuleitung 134, 136, insbesondere
die kritische negative Heizelementzuleitung 136 (H–) geschaltet. Eine direkte Verbindung
zwischen der Heizelementzuleitung 136 und der zweiten Elektrodenzuleitung 124 durch
einen Kurzschlusswiderstand R2 existiert nicht
mehr. Dieser Kurzschlusswiderstand R2, welcher
in 2B virtuell noch als gestrichelte Verbindung eingezeichnet
ist, wird vielmehr aufgeteilt in einen Widerstand R3 zwischen
der Heizelementzuleitung 136 und der ersten Elektrodenzuleitung 120 und einen
weiteren Kurzschlusswiderstand R1 zwischen der
ersten Elektrodenzuleitung 120 und der zweiten Elektrodenzuleitung 124.
Typischerweise liegt der beispielsweise durch Kohlenstoffablagerung
oder Feuchtigkeit bedingte Kurzschluss-Teilwiderstand R1 zwischen
den Elektrodenzuleitungen 120, 124 bzw. den Elektrodenkontakten 118, 122 in
der Größenordnung von 100 kΩ. Dieser
Widerstand R1 ist groß im Vergleich
zu dem Innenwiderstand RI der Nernstzelle 142,
welcher typischerweise in der Größenordnung von
100 Ω liegt. Dementsprechend bleibt ein Kurzschluss zwischen
den Elektroden 144, 146 bzw. den Elektrodenzuleitungen 120, 124 relativ
lange unwirksam. Verglichen mit der Wirkung eines Kurzschlusswiderstandes
R2 von ca. 100 MΩ ohne Erdungsleitung,
wie in dem herkömmlichen Sensorelement 110 gemäß den 1A bis 1C,
welcher den Isolationswiderstand RISO von
ca. 10 bis 100 MΩ überbrückt und damit
eine Heizereinkopplung von der getakteten Heizelementzuleitung 136 in
die Referenzelektrode 146 erlaubt, ist die Wirkung des
Kurzschlusswiderstandes R1 unkritisch.
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Eine
direkte Einkopplung in die geerdete erste Elektrodenzuleitung 120 der
ersten Elektrode 144 (AE) ist ohnehin in der Regel nicht
schädlich, da die Masseleitung in der Regel niederohmig
ist. Dies ist in 1C mit dem Zuleitungswiderstand
RZ der Masseleitung verdeutlicht, welcher
typischerweise in der Größenordnung zwischen 1
und 10 Ω liegt. Dieser Widerstand RZ ist
somit niederohmig im Vergleich zum Kurzschlusswiderstand R3, welcher in der Größenordnung
zwischen 100 kΩ und 100 MΩ liegen kann.
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Vom
Grundprinzip her wird bei der Abschirmung gemäß 2A der
Kurzschlusswiderstand R2 in die beiden Kurzschluss-Teilwiderstände
R1 und R3 aufgeteilt.
Diese sind jedoch aus den oben genannten Gründen beide
unkritisch für die oben beschriebene Heizereinkopplung.
Eine theoretische Grenze für den Kurzschluss-Teilwiderstand
R1 wäre lediglich dann erreicht,
wenn beispielsweise die zweite Elektrode 146 (Referenzelektrode)
eine Referenzelektrode einer gepumpten Referenz wäre und
der Widerstand R1 so gering ausfallen würde,
dass sich die gepumpte Referenz entleeren würde. Bei dem
in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel
des Sensorelements 110 verhindert jedoch die, wie oben
beschrieben, die Verwendung der Festelektrolytschicht 156,
auf welche der zweite Elektrodenkontakt 122 aufgedruckt
ist, dass der Kurzschluss-Teilwiderstand R1 zwischen
den beiden Elektrodenkontakten 118 und 122 in
diese Größenordnung gelangt.
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Wie
oben dargestellt, liegt der Isolationswiderstand RISO typischerweise
in einer Größenordnung zwischen 1 und 100 MΩ,
beispielsweise bei 30 MΩ. Etwaige entstehende Kurzschlüsse
zwischen der ersten Elektrode 144 und der zweiten Elektrode 146 durch
den Kurzschluss-Teilwiderstand R1 von beispielsweise
ca. 10 kΩ durch Kohlenstoffablagerungen oder Feuchtigkeit
sind groß, verglichen mit dem parallel geschalteten Innenwiderstand
RI von beispielsweise ca. 100 Ω der
Nernstzelle 142. Daher bleibt der Kurzschlussstrom solange
unwirksam, verglichen mit der verursachten Heizereinkopplung R2 in 1C parallel
zum Isolationswiderstand RISO von beispielsweise
30 MΩ ohne die erfindungsgemäße Zusatzleitung.
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Ein ähnliches
Prinzip einer Abschirmung von Einkopplungseffekten des Heizelements
132 in
die Nernstzelle
142, insbesondere die kritische Referenzelektrode
146,
lässt sich optional auch durch eine oder mehrere der oben
beschriebenen Potenzialausgleichsschichten realisieren, beispielsweise analog
zur Ausgestaltung in
DE
198 57 468 A1 oder
DE 198 57 470 A1 . Diese optionale Weiterbildung
der Erfindung ist in
2B durch die Bezugsziffer
158 angedeutet,
welche eine in diesem Fall geerdete, das heißt mit einer
Masse
150 verbundene, Potenzialausgleichsschicht
158 innerhalb
der Isolationsschicht
152 zwischen dem Heizelement
132 und
der Nernstzelle
142 symbolisiert. Diese Potenzialausgleichsschicht,
welche hochohmig ausgeführt sein kann, kann beispielsweise
aus einem kostengünstigen Material hergestellt werden,
beispielsweise einem elektronenleitfähigem keramischen
Material. Dadurch ist nicht der extrem hohe Isolationswiderstand
R
ISO wie bei den bisherigen Heizerisolationen
erforderlich, wobei dennoch eine ideale Isolation realisierbar ist,
weil durch den ersten Teil der Heizerisolation bis zur Potenzialausgleichsschicht
158 die
Ausgangsimpedanz der Störquelle hochohmig ausgestaltet
wird und damit auch nicht mehr in die nur hochohmig abgeschirmten
Elektroden
144,
146 einkoppeln kann. Für mögliche
Ausgestaltungen dieser Potenzialausgleichsschicht
158 kann
beispielsweise auf die genannten Literaturstellen verwiesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19857468
A1 [0027, 0029, 0049]
- - DE 19857470 A1 [0027, 0029, 0029, 0030, 0049]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, S. 154–159 [0001]