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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Erfassung mindestens
einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie bekannten
Herstellungsverfahren zur Herstellung derartiger Sensorelemente.
Die Sensorelemente können
beispielsweise eingerichtet sein, um mindestens eine physikalische
und/oder chemische Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum zu erfassen.
Ein besonderer Schwerpunkt der im Folgenden beschriebenen Erfindung
liegt auf der Erfassung einer Zusammensetzung des Gases in dem Messgasraum,
insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des
Gases in dem Messgasraum, beispielsweise eines Partialdrucks und/oder
einer Konzentration der Gaskomponente. Bei der Gaskomponente kann
es sich insbesondere um Sauerstoff handeln. Insbesondere kann das
Sensorelement eingesetzt werden, um eine Luftzahl Lambda eines Abgases
einer Bennkraftmaschine zu erfassen. Derartige Sensorelemente werden
häufig
auch als Lambdasonden bezeichnet. Lambdasonden, welche auch im Rahmen
der vorliegenden Erfindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden können,
sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug,
Ausgabe 2007, Seiten 154 bis 159 beschrieben. Insbesondere kann
es sich bei den Sensorelementen um so genannte Zweipunkt-Lambdasonden
handeln. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung und Konditionierung kostengünstiger
und einfacher Sensorelemente eingesetzt werden, welche kein integriertes
Heizelement aufweisen, beispielsweise so genannter unbeheizter Lambdasonden.
Derartige Lambdasonden können
beispielsweise als Low-Cost-Sonden in Zweiradapplikationen zum Einsatz
kommen, beispielsweise als Sensorelement, als in einem Gehäuse fixierten
Sensorelement, was im Folgenden auch als Baugruppe bezeichnet wird,
oder als Komplettsonde, im Folgenden auch als Sensor bezeichnet.
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Insbesondere
unbeheizte Lambdasonden zeigen in vielen Fällen nach dem Verbau eine für die Applikation
zu große
Ansprechzeit t2. Die t2-Zeit
beschreibt die von der Lambdasonde benötigte Zeit im Brennerprüfstand,
um nach einem Wechsel vom Fettgasbetrieb zum Magergasbetrieb die
Sondenspannung von 600 mV auf 300 mV abzusenken. Die Ansprechzeit
t2 ist zudem beim mehrmaligen Einbau des
Sensorelements in den Prüfstand
und darauf folgender Messungen in vielen Fällen nicht oder nur schwer
wiederholbar. Wünschenswert
wären daher Sensorelemente
mit im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen
verkürzten
Ansprechzeiten t2 sowie eine Stabilisierung
der Ansprechzeit t2.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird dementsprechend ein Verfahren zur Konditionierung eines Sensorelements
der oben beschriebenen Art vorgeschlagen, welches die Nachteile
bekannter Herstellungs- und
Konditionierungsverfahren beziehungsweise mittels dieser Verfahren hergestellter
und konditionierter Sensorelemente, Baugruppen und Sensoren zumindest
weitgehend vermeidet. Das Verfahren dient der Konditionierung mindestens
eines Sensorelements oder einer Sensorelement umfassenden Baugruppe
oder einem das Sensorelement umfassenden Sensor. Wie oben dargestellt,
wird unter einer Baugruppe dabei mindestens ein in mindestens einem
Gehäuse
fixiertes Sensorelement bezeichnet und unter einem Sensor ein betriebsfertiges,
die Baugruppe und gegebenenfalls weitere Komponenten wie beispielsweise
Steckverbindungen umfassendes Bauelement. Unter einer Konditionierung
ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Vorgang zu verstehen,
bei welchem das Sensorelement auf einen Einsatz vorbereitet wird.
Diese Konditionierung kann insbesondere dem Zweck dienen, das Sensorelement
auf eine konstante und reproduzierbare Messung vorzubereiten, beispielsweise
indem durch bestimmte Herstellungsschritte verursachte Verunreinigungen,
die die Messwerte beeinflussen können,
entfernt werden. Die Konditionierung kann also einen Vorgang umfassen, welcher
während
der Herstellung des Sensorelements erfolgt oder nach der Herstellung.
Dementsprechend kann die Konditionierung an einem teilweise fertig
gestellten, jedoch bereits zumindest teilweise betriebsfähigen Sensor,
beispielsweise einen Sensorelement ohne Gehäuse, an einem Sensorelement
im Gehäuse
(Baugruppe) oder an einem vollständig
fertig gestellten Sensor erfolgen. Die Konditionierung kann somit
ein Teil des Herstellungsverfahrens sein. Dementsprechend kann ein
Herstellungsverfahren vorgeschlagen werden, welches das im Folgenden
beschriebene Konditionierungsverfahren umfasst. Das Konditionierungsverfahren
kann jedoch auch separat durchgeführt werden, bei schrittweise oder
nach vollständiger
Fertigstellung des Sensors, beispielsweise in einem separaten Prüfstand und/oder
bereits am endgültigen
Einsatzort, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
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Das
Sensorelement dient der Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines
Gases in einem Messgasraum. Dementsprechend kann beispielsweise
auf die obige Beschreibung bekannter Sensorelemente verwiesen werden.
Insbesondere kann es sich bei dem Sensorelement um ein unbeheiztes
Sensorelement handeln, also ein Sensorelement, welches kein integriertes
Heizelement aufweist. Derartige Sensorelemente können insbesondere, wie oben dargestellt,
in Zweiradapplikationen eingesetzt werden. Insbesondere kann es
sich bei dem Sensorelement um ein einzelliges Sensorelement handeln, also
ein Sensorelement, welches genau eine Messzelle aufweist, beispielsweise
eine Sprungzelle oder eine als Sprungzelle betriebene Messzelle.
Auch andere Ausgestaltungen der Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich möglich, wobei
beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Insbesondere
kann es sich bei dem Sensorelement um eine Zweipunkt-Lambdasonde
handeln. Auch mehrzellige Sensorelemente und/oder Sensorelemente,
welche nach einem anderen Messprinzip arbeiten, beispielsweise Breitband-Sensorelemente, sind
grundsätzlich
nach dem vorgeschlagenen Verfahren herstellbar.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens eine Messzelle bereitgestellt.
Die Herstellung der Messzelle selbst kann Bestandteil des Verfahrens
sein, kann jedoch auch in einem separaten Verfahren durchgeführt werden,
so dass lediglich die Bereitstellung der Messzelle Bestandteil des
vorgeschlagenen Verfahrens ist. Wie oben dargestellt, kann das Konditionierungsverfahren
auch an einem lediglich teilweise fertig gestellten Sensor durchgeführt werden.
Das Sensorelement sollte jedoch soweit fertig gestellt sein, dass
die genannte Messzelle bereitgestellt werden kann, welche zumindest
teilweise bereits betriebsfähig
sein sollte.
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Die
Messzelle weist mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine
zweite Elektrode auf. Dabei ist die erste Elektrode mit dem Gas
aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Diese Beaufschlagung kann beispielsweise
direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise indem die erste Elektrode
unmittelbar dem Gas des Messgasraums ausgesetzt werden kann und/oder über eine
poröse,
gasdurchlässige
Schutzschicht. Alternativ oder zusätzlich kommt jedoch auch eine
Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum über einen
oder mehrere Zutrittskanäle
in Betracht, durch welche das Gas beispielsweise zu der ersten Elektrode
strömen und/oder
diffundieren kann oder in umgekehrte Richtung. Die zweite Elektrode
kann beispielsweise mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehen.
Dieser Referenzgasraum kann beispielsweise ganz oder teilweise bauteilidentisch
mit dem Messgasraum sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise von
dem Messgasraum getrennt sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn
die zweite Elektrode mit mindestens einem Refe renzgasraum in Verbindung
steht, welcher getrennt von dem Messgasraum ausgebildet ist, insbesondere
einem Referenzkanal. Beispielsweise kann es sich dabei um einen
Referenzluftkanal handeln, welcher mit einem Motorraum einer Brennkraftmaschine
in Verbindung steht und von einem Abgastrakt, in welchem eine Gasgemischzusammensetzung
(beispielsweise eine Luftzahl) gemessen werden soll, getrennt ist.
Die Messzelle weist weiterhin mindestens einen Festelektrolyten
auf, welcher die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindet. Unter
einem Festelektrolyten, wobei es sich vorzugsweise um einen keramischen
Festelektrolyten handelt, ist dabei ein Material zu verstehen, welches
zumindest bei erhöhten
Temperaturen (beispielsweise bei Temperaturen oberhalb von 600°C, vorzugsweise von
mindestens 800°C)
eine Ionenleitfähigkeit
für eine
oder mehrere Arten von Ionen, beispielsweise für Sauerstoffionen, aufweist.
Beispielsweise können dabei
bekannte Festelektrolytmaterialien eingesetzt werden, wie beispielsweise
Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ). Auch andere Festelektrolytmaterialien
können
jedoch alternativ oder zusätzlich
zum Einsatz kommen, beispielsweise Scandium-stabilisiertes Zirkondioxid
oder andere Arten von Festelektrolytmaterialien.
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Das
Sensorelement kann neben der Messzelle weitere, bislang nicht genannte
Komponenten umfassen. Wie oben beschrieben, kann das Sensorelement
beispielsweise neben der Messzelle weitere Zellen umfassen und dementsprechend
als Einzeller oder als Mehrzeller ausgestaltet sein. Die Messzelle kann
vorzugsweise als Nernstzelle, das heißt als Sprungzelle, betrieben
werden, kann jedoch grundsätzlich
auch als Pumpzelle eingesetzt werden. Das Sensorelement kann für diesen
Betrieb als Nernstzelle eine entsprechende Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung
aufweisen, welche jedoch auch ganz oder teilweise Bestandteil einer
externen, von dem Sensorelement getrennten Anordnung sein kann. Dementsprechend
kann allgemein auf den Stand der Technik verwiesen werden. Weiterhin
kann das Sensorelement in ein Sondengehäuse verbaut sein. Die Messzelle
kann beispielsweise in einem Schichtaufbau, vorzugsweise einem keramischen
Schichtaufbau, realisiert werden. Der Schichtaufbau kann beispielsweise
von einem Schutzrohr umgeben sein, beispielsweise einem metallischen
Schutzrohr, vorzugsweise mit Schlitzen, durch welche Gas aus dem Messgasraum,
beispielsweise dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, zu dem Schichtaufbau
vordringen kann. Der Schichtaufbau kann beispielsweise derart realisiert
sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode übereinander
oder nebeneinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist die
erste Elektrode als Außenelektrode
in einem Schichtaufbau ausgestaltet, und die zweite Elektrode als
innen liegende Innenelektrode. Weiterhin kann das Sensorelement,
wie unten noch näher
ausgeführt
wird, ein oder mehrere Dichtelemente umfassen, beispielsweise eine
oder mehrere Dichtscheiben und/oder Dicht- Packungen. Auch diesbezüglich kann
beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verweisen
werden, beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrtzeug,
Ausgabe 2007, Seiten 156 und 157. Die dort dargestellten Sensorelemente
sind grundsätzlich
auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
herstellbar und/oder konditionierbar.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die Messzelle vor Inbetriebnahme des Sensorelements mindestens einem
Konditionierungsprozess zu unterwerfen. Bei dem Konditionierungsprozess
wird die Messzelle einer erhöhten
Konditionierungstemperatur ausgesetzt. Optional kann die Messzelle
bei dem Konditionierungsprozess zusätzlich mit einem Konditionierungsstrom
beaufschlagt werden.
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Unter
einer erhöhten
Konditionierungstemperatur ist dabei grundsätzlich eine Temperatur oberhalb
der Raumtemperatur zu verstehen, vorzugsweise eine Temperatur von
oberhalb von 200°C,
insbesondere von mehr als 300°C.
Die Konditionierungstemperatur kann insbesondere mindestens 800°C, vorzugsweise
mindestens 900°C
und besonders bevorzugt mindestens 1000°C betragen. Für den Konditionierungsprozess
kann vorzugsweise ein externer Heizer verwendet werden, also ein
Heizer, welcher nicht Bestandteil des Sensorelements selbst ist.
Insbesondere lassen sich einer oder mehrere der folgenden Heizer
verwenden: ein elektrischer Heizer, insbesondere ein gewickelter
elektrischer Heizer, beispielsweise ein das Sensorelement und/oder
Teile des Sensorelements ganz oder teilweise umgebender elektrischer
Heizer; ein beheizbarer Sensorhalter, insbesondere ein beheizbarer
Schlitz zur Aufnahme eines oder mehrerer Sensorelemente; eine Flamme,
insbesondere eine Gasflamme; ein beheiztes Gas.
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Bei
dem Konditionierungsprozess kann weiterhin mindestens ein Dichtelement
des Sensorelements verglast werden, beispielsweise ein scheibenförmiges Dichtelement
und/oder eine Dichtpackung. Insbesondere kann es sich dabei um eines
oder mehrere der folgenden Dichtelemente handeln: ein mindestens
eine Glaskomponente enthaltendes Dichtelement und/oder ein Element
aus Glaskomponenten, insbesondere ein Bornitrid-Dichtelement; ein
mindestens eine Glaskomponente enthaltendes Steatitelement. Dieser
Fall stellt ein Beispiel dafür
dar, dass das vorgeschlagene Konditionierungsverfahren Bestandteil
eines Herstellungsverfahren des Sensorelements sein kann. In diesem
Fall wird die Beaufschlagung mit der erhöhten Konditionierungstemperatur gleichzeitig
als Teil des Herstellungsprozesses des Sensorelements eingesetzt,
da die Verglasung ein Teil dieses Herstellungsprozesses ist.
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Der
Konditionierungsprozess kann insbesondere in einer definierten Gasatmosphäre durchgeführt werden,
also in einer Gasatmosphäre,
deren Zusammensetzung zumindest hinsichtlich einer oder mehrerer
Komponenten bekannt ist. Beispielsweise kann der Konditionierungsprozess
in einer fetten Gasatmosphäre
durchgeführt
werden, vorzugsweise in abgebranntem Luft/Gasgemisch, und/oder in
einer wechselnden Gasatmosphäre.
Insbesondere kann es sich bei der definierten Gasatmosphäre um eine Gaszusammensetzung
bekannter Luftzahl handeln, beispielsweise um Luft und/oder insbesondere
um Fettgas. Alternativ oder zusätzlich
kann der Konditionierungsprozess auch in einer wechselnden Gasatmosphäre durchgeführt werden,
beispielsweise in einer Gasatmosphäre, in welcher mindestens ein Wechsel
von einer mageren Luftzahl zu einer fetten Luftzahl vorgenommen
wird oder umgekehrt. Auch eine Abfolge mehrerer Luftwechsel ist
möglich.
Der Konditionierungsprozess kann insbesondere, wie unten noch näher ausgeführt wird,
mehrere Teilschritte umfassen, wobei in mindestens einem Teilschritt
eine erste Gasatmosphäre
verwendet wird, beispielsweise eine fette Gasatmosphäre, und
in mindestens einem zweiten Teilschritt eine andere Gasatmosphäre, beispielsweise
eine magere Gasatmosphäre,
oder umgekehrt.
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Der
Konditionierungsprozess kann insbesondere in einem Brennerprüfstand durchgeführt werden.
Unter einem Brennerprüfstand
ist dabei allgemein eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der
mindestens eine Sensor oder ein Teil des Sensors, beispielsweise
die mindestens eine Messzelle, mindestens ein die Messzelle umfassendes
Sensorelement oder mindestens eine das Sensorelement umfassende
Baugruppe, einer durch einen Brenner erzeugten Wärme und/oder einem durch einen
Brenner erzeugten oder beeinflussten Gasstrom ausgesetzt wird. Alternativ
oder zusätzlich
kann auch eine Beaufschlagung mit einer definierten Gasatmosphäre erfolgen.
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Zusätzlich zur
Beaufschlagung der Messzelle mit einer erhöhten Konditionierungstemperatur kann,
wie oben dargestellt, bei dem Konditionierungsprozess auch eine
Beaufschlagung der Messzelle mit einem Konditionierungsstrom erfolgen. Auch
wenn die Messzelle im Normalbetrieb des Sensorelements als Nernstzelle
betrieben wird, also stromfrei und lediglich zur Potentialmessung
zwischen den mindestens zwei Elektroden, kann während des Konditionierungsprozesses
eine Strombeaufschlagung mit dem Konditionierungsstrom erfolgen.
Insbesondere kann der Konditionierungsstrom in mindestens einem
Teilschritt des Konditionierungsprozesses, beispielsweise einem
ersten Teilschritt des Konditionierungsprozesses, derart gewählt werden,
dass die zweite Elektrode auf einem höheren Potential liegt als die
erste Elektrode. Vorzugsweise fließt dabei Sauerstoff von der
ersten Elektrode, beispielsweise der Außenelektrode, zu der zweiten Elektrode,
beispielsweise der Innenelektrode, infolge eines Pumppro zesses.
Wie oben dargestellt, kann der Konditionierungsprozess auch mehrere
Teilschritte umfassen, wobei die Messzelle in den mindestens zwei
Teilschritten mit einem Konditionierungsstrom unterschiedlicher
Stromrichtung beaufschlagt wird. Beispielsweise kann der Konditionierungsstrom
betragsmäßig mindestens
0,5 mA, vorzugsweise mindestens 1 mA und besonders bevorzugt zwischen
1 mA und 30 mA betragen. Besonders bevorzugt ist es, wenn in einem
ersten Teilschritt die Messzelle mit einem Konditionierungsstrom
zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten
Teilschritt die Messzelle mit einem umgekehrten Konditionierungsstrom,
vorzugsweise einem Konditionierungsstrom zwischen 0 μA und –30 mA,
beaufschlagt wird.
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Der
Konditionierungsprozess, insbesondere jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses, kann
vorzugsweise eine Zeitdauer von mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise
von zwischen 5 Sekunden und 90 Sekunden und besonders bevorzugt
von mindestens 30 Sekunden aufweisen.
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Das
Verfahren kann insbesondere in eine Prüfabfolge eingebunden werden.
Dabei kann der mindestens eine Konditionierungsprozess vorzugsweise
direkt vor und/oder. nach und/oder zwischen einzelnen Prüfschritten
der Prüfabfolge
erfolgen bzw. durchgeführt
werden.
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Mittels
des vorgeschlagenen Verfahrens in einer oder mehreren der oben beschriebenen
Ausführungsformen
lässt sich
die Ansprechzeit t2 erheblich verkürzen und
stabilisieren. Durch die beschriebenen Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, lassen
sich auf dem Sensorelement, insbesondere auf einer oder beiden der
Elektroden, verbleibende Fettgaskomponenten entfernen oder zumindest
weitgehend reduzieren. Weiterhin lassen sich Vergiftungen auf und/oder
innerhalb der Elektrodenoberfläche einer
oder beider der Elektroden, beispielsweise Verbindungen von Silizium,
Bor, Chrom oder anderer Übergangsmetalle,
zuverlässig
abdampfen oder zumindest reduzieren.
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Die
mindestens eine erste Elektrode und/oder die mindestens eine zweite
Elektrode können
mindestens eine Cermet-Elektrode umfassen, also eine Metall-Keramik-Elektrode. Beispielsweise kann
es sich dabei um eine Zirkondioxid-Platin-Elektrode handeln. Auch
andere Arten von Cermet-Elektroden sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Durch die beschriebenen Maßnahmen,
einzeln oder in Kombination, lässt
sich dabei der Anteil der Dreiphasengrenze von Metall, Keramik und
Gas, beispielsweise von Platin, Zirkondioxid und Gas, erhöhen. Auf diese
Weise lässt
sich beispielsweise die Relevanz von Vergiftungen abschwächen, und
die Elektroden lassen sich insbesondere im Niedertemperaturbereich
empfindlicher gestalten. Dies ist insbesondere für die oben beschriebenen unbeheizten
Sensorelemente von Vorteil. Weiterhin lassen sich auch Oxidschichten
von den Elektrodenoberflächen
entfernen und auf diese Weise ebenfalls die Elektroden im Niedertemperaturbereich
empfindlicher gestalten. Durch die Maßnahmen, einzeln oder in Kombination,
mit den genannten Wirkungen, lässt
sich das Sensorelement gut auf den Einsatz als unbeheiztes Sensorelement
vorbereiten.
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Bei
dem vorgeschlagenen Konditionierungsprozess kann die Messzelle und/oder
eine die Messzelle umfassende Baugruppe, wie oben dargestellt, auf
verschiedene Weisen behandelt werden, welche eine Belastung zur
Erreichung der zuvor beschriebenen Wirkungen umfassen kann. So kann
die Messzelle und/oder die Baugruppe bei Temperaturen von mindestens
800°C, vorzugsweise
bei höheren
Temperaturen, in fetter Gasatmosphäre vor Durchführung einer
Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme des Sensorelements,
ausgeheizt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Messzelle und/oder eine
diese Messzelle umfassende Baugruppe auch bei Temperaturen von mindestens
800°C, vorzugsweise
bei höheren
Temperaturen, in wechselnder Gasatmosphäre ausgeheizt werden, insbesondere vor
Durchführung
der Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme des Sensorelements.
Wiederum alternativ oder zusätzlich
kann auch eine Strombeaufschlagung der Messzelle und/oder einer die
Messzelle umfassenden Baugruppe erfolgen, insbesondere in einem
Temperaturbereich unterhalb von 800°C an der mindestens einen ersten
Elektrode und/oder der mindestens einen zweiten Elektrode oder in
einem Temperaturbereich von mindestens 800°C, vorzugsweise mehr, an der
mindestens einen ersten Elektrode und/oder der mindestens einen zweiten
Elektrode.
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Bei
einem externen Aufheizen der Messzelle, insbesondere eines vorderen
Bereichs einer die Messzelle umfassenden Baugruppe, können auch
im Bereich des mindestens einen Dichtelements, beispielsweise der
mindestens einen Dichtpackung, hohe Temperaturen erwartet werden.
Bei geeigneter Prozessführung
kann auf diese Weise auch der Ausheizprozess, welcher üblicherweise
erforderlich ist, um die CSD-Festigkeit (CSD: characteristic shift-down,
durch Eindringen von Fettgaskomponenten in den Referenzbereich verursachte
Signalverschiebung) durch Verglasung beispielsweise einer Bornitrid-Scheibe
in der Dichtpackung sicherzustellen, ersetzt werden, welcher üblicherweise
als Ausheizprozess AH0 bezeichnet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung eines
Sensorelements.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
schematisch ein Brennerprüfstand 110 dargestellt,
anhand dessen ein erfindungsgemäßes Verfahren
schematisch erläutert
werden soll. Der Brennerprüfstand 110 umfasst
ein Gehäuse 112 mit
einem Konditionierungsraum 114, in welchem ein Sensorelement 116 als
Fertigprodukt oder als Zwischenprodukt aufgenommen ist. Das Sensorelement 116 umfasst
in diesem Ausführungsbeispiel eine
Messzelle 118, welche für
das erfindungsgemäße Verfahren
in einem bereits funktionsfähigen
Zustand, also beispielsweise als fertiggesinterter Schichtaufbau,
bereitgestellt werden kann, und/oder eine diese Messzelle 118 umfassende
Baugruppe. Nicht dargestellt sind weitere Elemente des Sensorelements 116,
wie beispielsweise Gehäusekomponenten,
Dichtpackungen, Steckverbindungen oder Ähnliches. Die Messzelle 118 umfasst
eine erste Elektrode 120, welche in diesem Ausführungsbeispiel
als Außenelektrode
ausgestaltet ist und über
eine poröse Schutzschicht 122 mit
Gas aus einem Messgasraum beaufschlagbar ist. Weiterhin umfasst
die Messzelle 118 eine zweite Elektrode 124, welche
als Innenelektrode ausgebildet ist und im Inneren eines Schichtaufbaus
der Messzelle 118, getrennt vom Messgasraum ausgebildet
ist. Die zweite Elektrode 124 ist dabei in einem Referenzkanal 126 ausgebildet
und beispielsweise über
diesen mit Luft beaufschlagbar. Die erste Elektrode 120 und
die zweite Elektrode 124 sind durch einen Festelektrolyten 127 miteinander
verbunden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Festelektrolyten 127 um
Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) handeln. Die Elektroden 120, 124 sind über Elektrodenzuleitungen 128,
welche in 1 lediglich schematisch angedeutet
sind, mit einer Spannungsmessvorrichtung verbindbar und/oder mit
einem Strom (hier als IB bezeichnet) und/oder
einer Spannung beaufschlagbar.
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In
dem Konditionierungsraum 114 ist die Messzelle 118 optional
mit einem Konditionierungsstrom beaufschlagbar, beispielsweise mittels
einer entsprechenden Stromquelle. Der Konditionierungsstrom, welcher
in 1 mit IB bezeichnet ist,
ist vorzugsweise gesteuert und/oder geregelt und kann vorzugsweise
wechselnde Vorzeichen anneh men. Die Steuerung 134 ist vorzugsweise
derart eingerichtet, dass diese den Konditionierungsstrom IB, insbesondere dessen Richtung und/oder
dessen Betrag und/oder dessen Zeitdauer, beeinflussen kann. Beispielsweise
kann der gesamte Brennerprüfstand 110 computergesteuert
ausgestaltet sein.
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Weiterhin
umfasst der Brennerprüfstand 110 in
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise
einen Heizer 130. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Brennerprüfstand 110 vorzugsweise
eine Gaszufuhr 132, über
welche der Konditionierungsraum 114 mit einer genau definierten
Gasatmosphäre
beaufschlagt werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind, wie
unten näher
ausgeführt wird,
möglich,
beispielsweise Ausgestaltungen, in welchen auf das Gehäuse 112 und/oder
die Gaszufuhr 132 verzichtet wird. Weiterhin kann der Brennerprüfstand 110 eine
Steuerung 134 umfassen, über welche beispielsweise der
Brennerprüfstand 110 vollständig oder
teilweise gesteuert werden kann, beispielsweise eine Stromzufuhr
zu den Elektroden 120, 124 und/oder eine Funktion
des Heizers 130 und/oder eine Gaszufuhr 132.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Konditionierungsprozess durchgeführt, bei
welchem vorzugsweise die folgenden Verfahrensschritte, einzeln oder
in Kombination, durchgeführt
werden können:
– Ausheizen
der Messzelle 118 und/oder weiterer Bestandteile des Sensorelements 116 bei
Temperaturen von mehr als 800°C
in fetter Gasatmosphäre
vor Durchführung
der eigentlichen Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme
des Sensorelements 116;
– Ausheizen der Messzelle 118 und/oder
weiterer Komponenten des Sensorelements 116 bei Temperaturen
von mehr als 800°C
in wechselnder Gasatmosphäre,
insbesondere vor Durchführung
der Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme des Sensorelements 116,
– Strombeaufschlagung
der Messzelle 118 und/oder weiterer Bestandteile des Sensorelements 116 im Temperaturbereich
von weniger als 800°C
an der ersten Elektrode 120;
– Strombeaufschlagung der Messzelle 118 und/oder weiterer
Bestandteile des Sensorelements 116 im Temperaturbereich
oberhalb von 800°C
an der ersten Elektrode 120.
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Das
Abreagieren von Fettgaskomponenten kann schon im 850°C-Brennerprüfstand im
Labor durchgeführt
werden. Eine solche Abreaktion findet bereits unter Fettgasatmosphäre statt,
wird jedoch durch die wechselnde Zufuhr von Magergas und Fettgas
und durch eine Temperaturerhöhung
verstärkt.
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Eine
mögliche
Maßnahme
ist daher das Ausheizen der Messzelle 118, insbesondere
des vorderen Sensorbereichs, im Magergas und/oder an Luft. Hierbei
ist eine Beheizung lediglich eines Schutzrohrbereichs, eventuell
noch inklusive eines Gewindes des Sensorelements 116, sinnvoll.
Dies kann beispielsweise für
einzelne Sensorelemente 116 durch einen gewickelten, elektrischen
Heizer 130 umgesetzt werden oder für mehrere Sensorelemente 116 beziehungsweise
mehrere Messzellen 118 durch einen elektrisch beheizten
Schlitz, in welchen die Messzellen 118 beziehungsweise
die Sensorelemente 116 eingesteckt werden können.
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Ein
wechselnder Fett- und Magergasbetrieb kann am einfachsten beispielsweise
mittels einer Gasflamme umgesetzt werden. Theoretisch ist auch eine
Umsetzung mittels elektrischer Beheizung, insbesondere unter Verwendung
von Flaschengasen, möglich.
Ein Ausheizen der gesamten Baugruppe des Sensors 116, einschließlich Gehäuse- und Dichtkomponenten,
kommt grundsätzlich
ebenfalls in Frage. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn lediglich
der Bereich der Messzelle 118 beheizt wird. Dies ist dadurch
bedingt, dass es aufgrund einer thermischen Instabilität der Dichtpackung
des Sensorelements 116, beispielsweise des Steatits der
Dichtpackung, bei Temperaturen von mehr als 720°C bei vielen derzeitigen Sensoren
zu Schäden
kommen kann.
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Das
Ausheizen kann, alternativ oder zusätzlich zu einem Ausheizen durch
den Heizer 130, auch durch eine Strombeaufschlagung mit
einem Konditionierungsstrom, welcher auch als Prüfstromeinspeisung bezeichnet
werden kann, verstärkt
werden. Bei hohen Temperaturen kann dies zu einer gewollten Änderung
in der Elektrodenstruktur der ersten Elektrode 120 und/oder
der zweiten Elektrode 124 führen. Notwendige Voraussetzung
hierfür
kann eine Fettgasatmosphäre
im Konditionierungsraum 114 sein, damit der Sauerstoffabtransport
verstärkt
an der Grenzschicht zur Elektrode 120 beziehungsweise 124 angreift
und es nicht lediglich zu einem Sauerstoffabtransport aus dem Gas
kommt. Wesentlich ist hierbei in vielen Fällen die Belastung der Außenelektrode 120.
Dies bedeutet, dass die Stromrichtung vorzugsweise derart zu wählen ist,
dass die Außenelektrode 120 zunächst auf
niedrigem Potenzial und die Innenelektrode 124 auf hohem
Potential liegt und der Sauerstoff vom Abgas beziehungsweise aus
dem Konditionierungsraum 114 in den Referenzkanal 126 gepumpt
werden sollte. Die Außenelektrode 120 sollte
also zunächst
auf einem niedrigeren Potenzial liegen als die Innenelektrode 124.
Hierdurch kann es durch Sauerstoffverarmung zu Materialzersetzungen im
Grenzbereich von Elektrode und Elektrolyt kommen. Im zweiten Schritt
wird dieser Bereich durch Umkehrung der Stromrichtung regeneriert.
Als sinnvolle Werte für
typische Lambdasonden wurden Ströme
von 10 mA für
30 Sekunden, für
die Rückreaktion von –1 mA für 30 Sekunden
bestimmt. Insgesamt führen
bei der Hinreaktion Ströme
von 1 mA bis 30 mA zu einer Verbesserung der Ansprechzeiten. Die Parameter
der Rückreaktion
wurden dabei in der Regel nicht variiert. Die Rückreaktion sollte die Hinreaktion
nicht überkompensieren.
Für die
Rückreaktion kann
dementsprechend ein Stromintervall von 0 μA bis –30 mA sinnvoll sein. Die Dauer
der Strombeaufschlagung kann beispielsweise 30 Sekunden für jeden
Teilschritt, das heißt
für jeden
Reaktionsweg, betragen. Sinnvolle Zeitintervalle für jeden
Teilschritt, das heißt
für jeden
Reaktionsweg, liegen beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 90 Sekunden.
Nach derzeitigem Verständnis
ist während
der Strombeaufschlagung eine ausreichende Ionenleitfähigkeit durch
Aufheizung des Kristallgitters des Festelektrolyten 127 erforderlich.
Aus diesem Grunde sind Abgas-Temperaturen beziehungsweise Temperaturen innerhalb
des Konditionierungsraums 114 von mehr als 800°C bevorzugt.
Der wesentliche Parameter für die
Sensorelement-Temperatur bei einer Strombeaufschlagung ist in der
Regel der Innenwiderstand der Messzelle 118. Ein Innenwiderstand
von 17 Ω während der
Strombeaufschlagung erlaubt in der Regel eine hohe Verbesserung.
Dies entspricht typischerweise einer Abgastemperatur beziehungsweise einer
Temperatur des Gases im Konditionierungsraum 114 von circa
1097°C und
einer Elektrodentemperatur von circa 908°C. Dementsprechend ist es sinnvoll,
Elektrodentemperaturen von mindestens 800°C, vorzugsweise darüber, zu
verwenden. Auch eine Strombeaufschlagung in Niedertemperaturbereich
mit Elektrodentemperaturen von weniger als 800°C ist jedoch grundsätzlich möglich.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Durchführung des
Verfahrens ein eigens hierfür
eingerichteter Brennerprüfstand 110 eingesetzt.
Alternativ oder zusätzlich
ist eine Durchführung
des Verfahrens jedoch am bereits eingesetzten Sensorelement 116,
beispielsweise an einem im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzten Sensorelement 116,
vor einer ersten Inbetriebnahme möglich. Die vorgeschlagenen
Maßnahmen
können am
verbauten Sensorelement 116 und/oder am nicht verbauten
Sensorelement durchgeführt
werden. Werden die Maßnahmen
an einem nicht verbauten Sensorelement 116 durchgeführt, so
greifen diese jedoch in der Regel nicht mehr für das Abdampfen von Vergiftungen,
welche erst durch den Verbauprozess eingebracht werden. Auch ein
Umsetzen der Maßnahmen,
also eine Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
am fertig montierten Sensorelement 116, vor oder nach Einsatz
in einer Vorrichtung (beispielsweise einer Brennkraftmaschine, insbeson dere
einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine) ist grundsätzlich möglich. Beispielsweise
kann das Verfahren am bereits fertig montierten Sensorelement 116,
also beispielsweise mit angeschlagenem Kabelbaum, durchgeführt werden.
Jedoch kann es hier insbesondere durch die hohen Temperaturen bei schlechter
Prozessführung
zu einer Schädigung
des Kabelbaums kommen. Dementsprechend ist eine Durchführung des
Verfahrens in einem separaten Prüfstand,
beispielsweise dem Brennerprüfstand 110 gemäß 1,
sinnvoll.