DE102009011298A1

DE102009011298A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102009011298A1
Application number: DE102009011298A
Authority: DE
Inventors: Diana Biskupsi; Maximilian Dr. Fleischer; Ralf Prof. Moos; Daniela SCHÖNAUER; Kerstin Dr. Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und/oder Gaskonzentrationen von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Der Sensor soll für Messungen von Verbrennungsmotoren bei beliebigen in der Realität vorkommenden Luft-Kraftstoff-Verhältnissen geeignet sein und die Sensitivität auf Sauerstoff und für den Analyten soll beibehalten werden. Der Sensor weist ein Pumpelement bzw. eine Pumpzelle und ein Sensorelement (5) auf. Ein Substrat (13) weist eine Aussparung (15) um einen inneren Abschnitt (11) herum und innerhal auf. Im Bereich der Aussparung (15) sind Pumpelektroden (3) erzeugt und der innere Abschnitt (11) des Substrats (13) ist vorteilhaft zylindrisch. Die Aussparung (15) ist vorteilhaft ringförmig. Auf dem äußeren Abschnitt (17) des Substrats (13) ist eine für das Gas durchlässige Abdeckung (19) der Aussparung (15) und eines auf dem Sensorelement (5) geschaffenen Messhohlraums (21) befestigt. Der Sensor eignet sich insbesondere für Abgase von Verbrennungsmotoren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch.
Sensoren zum direkten Nachweis von Kohlenwasserstoffen im Automobilabgas sind derzeit noch nicht kommerziell erhältlich. Resistive Sensoren für die Überwachung von Industrie, Haushalt und Umwelt, welche Kohlenwasserstoffe detektieren, besitzen als gassensitive Schicht zum Beispiel Galliumoxid, wie dies beispielsweise die EP 0 952 447 A1 offenbart. Für den Einsatz im Automobilabgas ergibt sich folgende Problemstellung. Halbleitende Metalloxide zeigen neben der Sensitivität gegenüber dem zu detektierenden Gas auch eine Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck. Die DE 42 43 734 C2 offenbart ein Verfahren, bei dem mittels einer elektrochemischen Pumpzelle aus einem Festelektrolyten immer der maximal mögliche Gehalt an Sauerstoff an der Sensorschicht angelegt wird. Der Festelektrolyt besteht beispielsweise aus Zirkoniumoxid. Auf diese Weise werden sehr hohe Sauerstoffpartialdrücke erzeugt, so dass eine Querempfindlichkeit vernachlässigbar wird. Ein derartiges Verfahren weist folgende zwei Nachteile auf. Erstens geht das Verfahrens davon aus, dass im Abgas stets eine Atmosphäre um λ = 1 vorherrscht, was einem stöchiometrischen Motorbetrieb entspricht. Damit ist der Gassensor nicht für den Betrieb im Abgas von magerbetriebenen Fahrzeugen oder Dieselfahrzeugen geeignet. Zweitens verlieren für die Detektion von Kohlenwasserstoffen geeignete Metalloxide in Atmosphären hoher Sauerstoffpartialdrucke neben der Sensitivität auf Sauerstoff auch in gewissem Maße die Sensitivität für den Analyten, wie dies beispielsweise [1] beschreibt.
Lambda (λ) in der Motorentechnik ist das Formelzeichen für das Verbrennungsluftverhältnis. Bei Verbrennungsmotoren wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrisches Verhältnis) Lambda = 1 angegeben, wenn das optimale Verhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Kraftstoff (für Benzin) gegeben ist. Lambda > 1 bedeutet Luftüberschuss (mageres Gemisch), und Lambda < 1 Luftmangel (fettes Gemisch). Motoren mit katalytischer Abgasnachbehandlung regeln das optimale Verhältnis mit Hilfe einer Lambdasonde.
Bisherige Layouts für Automobilabgassensoren mit Pumpzelle, wie dies beispielsweise die DE 42 43 734 C2 oder die DE 69 733 509 D2 beschreiben, besitzen eine längliche Ausdehnung, in welcher zwei oder mehr Zellen, Pump- oder Messzellen, nebeneinander angeordnet sind und über Diffusionsbarrieren miteinander verbunden sind.
In der DE 199 06 908 B4 sind die Elektroden von Mess- und Pumpzelle ringförmig ausgeführt. Der dort beschriebene Sensor eignet sich jedoch lediglich für die Verwendung in λ = 1-geregelten Fahrzeugen. Zudem benötigt der Sensor ein Sauerstoffreservoir in Form eines Luftreferenzkanals. Das zu detektierende Gas gelangt über eine Diffusionsbarriere in den Messraum, wobei die Diffusionsbarriere keine symmetrische Anordnung zum Messraum besitzt.
Die DE 42 43 734 C2 offenbart einen Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in Gasgemischen, insbesondere von CO, NO_x und HC in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem einen sensitiven Bereich aufweisenden Messelement und mit einer Pumpzelle mit auf einem Festelektrolyt angeordneten Pumpelektroden, die ein Sauerstofftransfer zum Messelement bewirken. Diese Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pumpzelle und Gasgemisch eine Diffusionsstrecke vorgesehen ist, in der sich ein Gradient der zu bestimmenden Gaskomponente und ein Sauerstoffgradient ausbilden und dass das Messelement im Bezug auf die Diffusionsstrecke derart ausgebildet ist, dass am sensitiven Bereich ein Sauerstoffüberschuss anliegt.
Die DE 199 06 908 B4 offenbart einen Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen, insbesondere Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer Innenpumpelektrode und einer Innenpumpelektrodenzuleitung, die mit der Innenpumpelektrode verbunden ist, sowie mit einer Messelektrode und einer Messelektrodenzuleitung, die mit der Messelektrode verbunden ist, mit mindestens einem Sauerstoffreservoir, wobei Messelektrodenzuleitung und die Innenpumpelektrodenzuleitung zumindest im heißen Bereich des Sensors voneinander beabstandet sind, und wobei die Messelektrode und die Innenpumpelektrode mit einem Messbereich in Verbindung stehen. Es wird offenbart, dass mindestens eine der Elektrodenzuleitungen zumindest im heißen Bereich mit dem Sauerstoffreservoir in Verbindung steht, und dass das Sauerstoffreservoir von dem Messbereich zumindest weitgehend gasdicht getrennt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sensor für einen direkten Nachweis von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere im Abgas von Verbrennungsmotoren, bereitzustellen. Es sollen resistive Sensoren mit halbleitende Metalloxide aufweisenden Sensorschichten derart verbessert werden, dass diese für Messungen von Verbrennungsmotorenabgasen bei beliebigen in der Realität vorkommenden Luft-Kraftstoff-Verhältnissen geeignet sind und deren Sensitivitäten auf Sauerstoff und für den Analyten beibehalten werden. Es sollen keine Sauerstoffreservoire in Form von Luftreferenzkanälen erforderlich sein.
Die Aufgabe wird durch ein Sensor gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und/oder Gaskonzentrationen von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, bereitgestellt mit einem Pumpelektroden auf beiden Seiten einer Festelektrolytschicht aufweisendem Pumpelement, einem auf einer Seite der Festelektrolytschicht angeordneten Sensorelement, das auf der Elektrolytschicht eine gassensitive Schicht auf mindestens zwei Messelektroden auf einen inneren Abschnitt eines Substrats aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Substrat eine Aussparung um den inneren Abschnitt herum und innerhalb eines äußeren Abschnitts des Substrats aufweist und im Bereich der Aussparung die Pumpelektroden erzeugt sind, sowie auf dem äußeren Abschnitt des Substrats eine für das Gas durchlässige Abdeckung der Aussparung und eines auf dem Sensorelement geschaffenen Messhohlraums befestigt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Sensor zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und/oder Gaskonzentrationen von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der innere Abschnitt des Substrats zylindrisch und die Aussparung ringförmig sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Aussparung von dem inneren Abschnitt zum äußeren Abschnitt des Substrats ein Übergang oder eine Brücke erzeugt sein, auf der von dem äußeren Abschnitt zu den Messelektroden Anschlussleitungen ausgebildet sein können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine äußere Messelektrode auf dem inneren Abschnitt des Substrats von einem ersten Anschlusspunkt beginnend entlang einer äußeren Kreislinie bis zu einem von dem ersten Anschlusspunkt beabstandeten ersten Endpunkt verlaufen. Entsprechend kann eine innere Messelektrode auf dem inneren Abschnitt des Sub strats von einem zweiten Anschlusspunkt beginnend entlang einer inneren Kreislinie bis zu einem von dem zweiten Anschlusspunkt beabstandeten zweiten Endpunkt verlaufen. Es kann die äußere Messelektrode im Uhrzeigersinn zum ersten Endpunkt verlaufen. Es kann die innere Messelektrode entgegen dem Uhrzeigersinn zum zweiten Endpunkt verlaufen. Es kann ein Abstand zwischen Anschlusspunkt und zugehörigem Endpunkt ca. ein 1 mm bis 30 mm sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die gassensitive Schicht auf den Messelektroden ringförmig mit einer Unterbrechung im Bereich des Übergangs erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Paar von Messelektroden Interdigitalelektroden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zwei kreissegmentförmige zueinander achsensymmetrische Paare von Messelektroden erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zwei mittlere Messelektroden mittels einer gemeinsamen Messelektrode erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine gassensitive Schicht jeweils auf einem Paar Messelektroden kreissegmentförmig erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eine gassensitive Schicht ein katalytisch aktives Material aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das katalytisch aktive Material ein Edelmetall sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Edelmetall Platin sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann auf mindestens einer gassensitiven Schicht eine katalytisch aktive Schicht angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die katalytisch aktive Schicht keramisch sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abdeckung keramisch sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abdeckung porös sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abdeckung eine Durchführung von einer dem Substrat abgewandten Seite der Abdeckung zum Messhohlraum zu aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Festelektrolyt yttriumdotiertes Zirkoniumoxid aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Substrat Aluminiumoxid aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die gassensitive Schicht ein halbleitendes Metalloxid aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen der gassensitiven Schicht und dem Substrat mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem äußeren Abschnitt ein Heizelement erzeugt sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensor;
2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
3 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
4 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit einer katalytisch aktivierten und einer katalytisch nicht aktivierten Sensorschicht.
1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Pumpelement oder Pumpzelle mit auf beiden Seiten einer Festelektrolytschicht 1 angeordneten Pumpelektroden 3. Auf einer Seite der Festelektrolytschicht 1 ist ein Sensorelement 5 angeordnet, das ebenso als Sensorzelle bezeichnet werden kann. Das Sensorelement 5 weist auf der der Festelektrolytschicht 1 abgewandten Seite eine gassensitive Schicht 7 auf Messelektroden 9 auf einem inneren Abschnitt 11 eines Substrats 13 auf. Zudem weist das Substrat 13 eine Aussparung 15 um den inneren Abschnitt 11 herum und innerhalb eines äußeren Abschnitts 17 des Substrats 13 auf. Im Bereich der Aussparung 15 sind die Pumpelektroden 3 erzeugt. Der innere Abschnitt 11 des Substrats 13 ist bevorzugt zylindrisch und die Aussparung 15 ist bevorzugt ringförmig. Auf dem äußeren Abschnitt 17 des Substrats 13 ist eine für das Gas durchlässige Abdeckung 19 der Aussparung 15 und eines auf dem Sensorelement 5 geschaffenen Messhohlraums 21 befestigt. Der Messhohlraum 21 kann sich oberhalb des Sensorelements 5 und oberhalb der Aussparung 15 erstrecken.
Der Sensoraufbau für die Anwendung, insbesondere für Automobilabgas, setzt sich aus einer Festelektrolytzelle, die beispielsweise aus yttriumdotiertem Zirkoniumoxid besteht und dem Sensorelement 5 zur Detektion von Kohlenwasserstoffen zusammen. Das Sensorelement 5 weist ein elektrisch gut isolierenden Substrat 13, das beispielsweise aus Aluminiumoxid be steht, Messelektroden 9, die vorzugsweise Interdigitalelektroden sind, und darüber ein halbleitendes Metalloxid, beispielsweise Galliumoxid, als gassensitive Schicht 7, auf. Der Festelektrolyt befindet sich unterhalb dem Sensorelement 5, um das bevorzugt ein ringförmiger Ausschnitt in dem Bereich erzeugt ist, in dem sich die ebenfalls ringförmigen Pumpelektroden 3 der Festelektrolytzelle befinden. Das Pumpelement bzw. die Pumpzelle wird zur Einstellung eines definierten Sauerstoffpartialdruckes an der Sensorschicht bzw. der gassensitiven Schicht 7 verwendet. Zu diesem Sauerstoffpartialdruck soll das Metalloxid eine maximale Empfindlichkeit für das zu detektierende Gas besitzen. Auf diese Weise wird ebenso die Langzeitstabilität des Sensors verbessert. Oberhalb des Sensorelements 5 befindet sich der Messhohlraum 21. Darüber schließt ein keramischer Deckel oder eine keramische Abdeckung 19 den Aufbau zum Abgas ab. Der Deckel besitzt entweder eine Bohrung oder ist selbst porös, in der Art, dass die Diffusion des Abgases zur Sensorschicht bzw. gasempfindlichen Schicht 7 möglich ist und es gleichzeitig auch möglich ist, mit der Pumpzelle einen definierten Sauerstoffpartialdruck an der gassensitiven Schicht 7 einzustellen. Die Pumpzelle weist die Festelektrolytschicht 1 und die Pumpelektroden auf. Die Sensorzelle weist die gassensitive Schicht 7 auf den Messelektroden 9 auf dem inneren Abschnitt 11 des Substrats 13 auf. Der Aufbau ist bevorzugt weitgehend kreissymmetrisch, was gegenüber dem herkömmlichen Stand der Technik mehrere Vorteile bewirkt. Zum einen kann der Konzentrationsgradient des zu detektierenden Gases über der gassensitiven Schicht 7 im Vergleich zu einem länglichen Aufbau minimiert werden. Dies gilt ebenso für den Gradienten der Sauerstoffkonzentration, die mittels des Pumpelements eingestellt wird. Die Symmetrie ermöglicht ebenso die Anordnung von mehreren Sensoren. So können beispielsweise zwei Sensoren bestehend aus dem gleichen Sensormaterial in das Sensorelement 5 integriert werden. Dabei kann neben der gassensitiven Schicht 7 auf den Messelektroden 9 mindestens eine weitere gassensitive Schicht auf Messelektroden auf dem inneren Abschnitt des Substrats 11 erzeugt sein. Einer der Sensoren kann zusätzlich mit einem katalytisch aktiven Material versehen sein oder eine katalytisch aktive Schicht kann über der gassensitiven Schicht 7 aufgebracht sein. Ein derartiger Aufbau eignet sich insbesondere beispielsweise zum Einsatz eines Kohlenwasserstoffsensors zur Unterscheidung von Kohlenwasserstoffen und Methan. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem vertikalen Aufbau von Pumpelement, Sensorelement 5 und Diffusionskanal 20. Die Diffusionswege innerhalb des Aufbaus werden dabei minimiert. Dies erlaubt sowohl eine schnelle Einstellung der Sauerstoffkonzentration als auch kurze Ansprechzeiten des Sensors. Letztere sind für die On-Board-Diagnose der Abgasnachbehandlung von Automobilen notwendig.
Der Sensor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Sensorelement 5 und die Pumpelektroden 3 weitgehend Kreissymmetrie aufweisen. Durch die vertikale Anordnung der Aufbaukomponenten Pumpelement, Sensorelement 5 und Gaseinlass 20 können besonders vorteilhaft schnelle Ansprechzeiten verwirklicht werden. Ein Sensorelement 5 kann ein oder mehrere Sensoren aufnehmen. Es werden dabei ein oder mehrere gassensitive Schichten 7 ausgebildet. Ein oder mehrere gassensitive Schichten 7 können mit einem katalytisch aktiven Material versehen sein oder auf die gassensitive Schicht 7 wird zusätzlich eine keramische Schicht aufgebracht, die katalytische Eigenschaften besitzt. Ein Beispiel für ein katalytisch aktives Material ist beispielsweise ein Edelmetall, insbesondere Platin. 1 zeigt ein Querschnitt durch den im Abgas befindlichen Teil des Sensors. Zudem weist der Sensor im äußeren Abschnitt 17 ein Heizelement 18 auf.
2 zeigt eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei die Sensorschicht über den Elektroden zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet wurde. Dabei verläuft eine äußere Messelektrode 23 auf dem inneren Abschnitt 11 des Substrats 13 von einem ersten Anschlusspunkt 25 beginnend entlang einer äußeren Kreislinie bis zu einem von dem ersten Anschlusspunkt 25 beabstandeten ersten Endpunkt 27. Weiterhin kann eine in nere Messelektrode 29 auf dem inneren Abschnitt 11 des Substrates 13 von einem zweiten Anschlusspunkt beginnen entlang einer inneren Kreislinie zu einem von dem zweiten Anschlusspunkt beabstandeten zweiten Endpunkt verlaufen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel verläuft die äußere Messelektrode 23 im Uhrzeigersinn im ersten Endpunkt 27. Die innere Messelektrode 29 verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn zum zweiten Endpunkt. Die Richtungen der Verläufe können ebenso umgekehrt sein. In der Aussparung 15 ist von dem inneren Abschnitt 11 zum äußeren Abschnitt 17 des Substrats 13 ein Übergang 31 erzeugt, auf dem von dem äußeren Abschnitt 17 zu dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt jeweils eine Anschlussleitung 33 ausgebildet ist. Ein Abstand zwischen Anschlusspunkt 25 und dazugehörigem Endpunkt 27 kann beispielsweise ca. 1 mm bis ca. 40 mm sein. 2 zeigt eine zweidimensionale Skizze eines Sensors bestehend aus einem AL₂O₃-Substrat 13 und zwei Messelektroden 9. Die gassensitive Schicht 7 liegt über den Messelektroden 9 und wurde zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet. Die gassensitive Schicht 7 auf den Messelektroden 9 kann ringförmig erzeugt sein. Die gassensitive Schicht 7 auf den Messelektroden 9 kann ringförmig mit einer Unterbrechung im Bereich des Übergangs 31 erzeugt sein. Neben der gassensitiven Schicht 7 auf den Messelektroden 9 kann mindestens eine weitere gassensitive Schicht auf Messelektroden auf dem inneren Abschnitt des Substrats 11 erzeugt sein. Dabei kann ein Verlauf der äußeren Messelektrode 23 und der inneren Messelektrode 29 entsprechend angepasst sein.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors. 3 zeigt einen inneren Abschnitt 11 und einen äußeren Abschnitt 17 eines Substrats 13. Um den inneren Abschnitt 11 ist eine ringförmige Aussparung 15 erzeugt, wobei die Aussparung 15 von einem Übergang 31 unterbrochen ist. Auf dem inneren Abschnitt 11 sind zwei Paare von Messelektroden 9 ausgebildet. Ein Paar Messelektroden ist jeweils als Interdigitalelektrodenstruktur 35 erzeugt. Der Verlauf zweier Messelektroden 9 ist dabei mäander- oder schlangenförmig bereitgestellt. 3 zeigt mit den beiden Paaren von Messelektroden 9 eine Doppel-Interdigitalelektrodenstruktur. Eine Interdigitalelektrodenstruktur 35 jeweils auf einer linken und auf einer rechten Seite des inneren Abschnitts 11. Die Messelektroden 9 können vorteilhaft Platin aufweisen. Beide Interdigitalelektrodenstrukturen 35 können mit einem gleichen Sensormaterial, beispielsweise Ga₂O₃ oder SrTiNbO₃ bedruckt sein. Über den Übergang 31 führen vier Anschlussleitungen 33 von den Messelektroden 9 heraus. Die beiden mittleren Messelektroden 9 können alternativ zu einer gemeinsamen Mittelelektrode derart zusammengefasst sein, dass lediglich drei Messelektroden 9 ausgebildet sind. Auf den Messelektroden 9 ist jeweils das Sensormaterial ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein Paar von Messelektroden Interdigitalelektroden. Gemäß 3 sind zwei kreissegmentförmige zueinander achsensymmetrische Paare von Messelektroden 9 erzeugt. Dabei können die Kreislinien der Segmente Bestandteil eines Kreises sein, der insbesondere konzentrisch zur Achse des Zylinders des inneren Abschnitts 11 des Substrats 13 positioniert ist. Es können die zwei mittleren Messelektroden 9 nahe der Symmetrieachse der Paare mittels einer gemeinsamen Messelektrode erzeugt sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine gassensitive Schicht jeweils auf einem Paar Messelektroden kreissegmentförmig erzeugt sein. Es ist möglich, dass die beiden Kreissegmente zusammen einen vollständigen Kreis erzeugen. Damit sind die beiden Kreissegmente dann Halbkreise.
4 zeigt den Aufbau gemäß 3 mit dem Unterschied, dass die linke Sensorhälfte katalytisch aktiviert ist. Die Aktivierung kann durch Hinzugabe eines katalytisch aktiven Materials zu und/oder mittels Aufbringen einer katalytisch aktiven Schicht auf der ursprünglichen Sensorschicht erfolgen. Beispielsweise kann die katalytische Aktivierung mittels Hexachloroplatinsäure ausgeführt werden. Die katalytisch aktivierte Sensorhälfte detektiert O₂, indem Kohlenwasserstoffe am Katalysator, beispielsweise Platin, abreagieren. Die katalytisch nicht aktivierte rechte Sensorhälfte detektiert O₂ und Kohlenwasserstoffe, indem Kohlenwasserstoffe nicht abreagieren. In beiden Messungen wird O₂ erfasst, so dass eine O₂-Querempfindlichkeit eliminiert werden kann. Auf diese Weise ist eine alleinige Kohlenwasserstofferfassung ausführbar.
Auf weitere Details eines gemäß 1, 2, 3 und 4 erläuterten Sensors wie beispielsweise die Funktion der einzelnen Bauteile und Schichten und ihre konkrete Herstellung wird verzichtet, da sie dem Fachmann bekannt sind.
Literaturverzeichnis

[1] Sahner et al., HC-Sensor for exhaust gases based an semiconducting doped SrTiO3 for On-Board Diagnosis, Sensors and Actuators B 114, S. 861ff.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0952447 A1 [0002]
- DE 4243734 C2 [0002, 0004, 0006]
- DE 69733509 D2 [0004]
- DE 19906908 B4 [0005, 0007]

Claims

Sensor zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und/oder Gaskonzentrationen von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit: einem Pumpelektroden (3) auf beiden Seiten einer Festelektrolytschicht (1) aufweisenden Pumpelement; einem auf einer Seite der Festelektrolytschicht (1) angeordneten Sensorelement (5), das auf der Festelektrolytschicht (1) eine gassensitive Schicht (7) auf mindestens zwei Messelektroden (9) auf einem inneren Abschnitt (11) eines Substrats (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (13) eine Aussparung (15) um den inneren Abschnitt (11) herum und innerhalb eines äußeren Abschnitts (17) des Substrats (13) aufweist und im Bereich der Aussparung (15) die Pumpelektroden (3) erzeugt sind; auf dem äußeren Abschnitt (17) des Substrats (13) eine für das Gas durchlässige Abdeckung (19) der Aussparung (15) und eines auf dem Sensorelement (5) geschaffenen Messhohlraums (21) befestigt ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (11) des Substrats (13) zylindrisch und die Aussparung (15) ringförmig ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aussparung (15) von dem inneren Abschnitt (11) zum äußeren Abschnitt (17) des Substrats (13) ein Übergang (31) erzeugt ist, auf dem von dem äußeren Abschnitt (17) zu den Messelektroden (9) Anschlussleitungen (33) ausgebildet sind.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Messelektrode (23) auf dem inneren Abschnitt (11) des Substrats (13) von einem ersten Anschlusspunkt (25) beginnend entlang einer äußeren Kreislinie bis zu einem von dem ersten Anschlusspunkt beabstandeten ersten Endpunkt (27) verläuft; eine innere Messelektrode (29) auf dem inneren Abschnitt (11) des Substrats (13) von einem zweiten Anschlusspunkt beginnend entlang einer inneren Kreislinie bis zu einem von dem zweiten Anschlusspunkt beabstandeten zweiten Endpunkt verläuft;
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (7) auf den Messelektroden (9) ringförmig mit einer Unterbrechung im Bereich des Übergangs (31) erzeugt ist.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Messelektroden (9) Interdigitalelektroden (35) sind.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei kreissegmentförmige zueinander achsensymmetrische Paare von Messelektroden (9) erzeugt sind.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei mittlere Messelektroden (9) mittels einer gemeinsamen Messelektrode (9) erzeugt sind.
Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gassensitive Schicht (7) jeweils auf einem Paar Messelektroden (9) kreissegmentförmig erzeugt ist.
Sensor nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine gassensitive Schicht (7) ein katalytisch aktives Material aufweist.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Material ein Edelmetall ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall Patin ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer gassensitiven Schicht (7) eine katalytisch aktive Schicht angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Schicht keramisch ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (19) keramisch ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (19) porös ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (19) eine Durchleitung (20) von einer dem Substrat (13) abgewandten Seite der Abdeckung (19) zum Messhohlraum (21) aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt (1) yttriumdotiertes Zirkoniumoxid aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (13) Aluminiumoxid aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht (7) ein halbleitendes Metalloxid aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der gassensitiven Schicht (7) und dem Substrat (13) mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem äußeren Abschnitt (17) ein Heizelement (18) erzeugt ist.
Verwendung eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und/oder Gaskonzentrationen von Kohlenwasserstoffen in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren.