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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement mit einer integrierten
Abschirmung, insbesondere für einen Gassensor zur Bestimmung
der Konzentration mindestens einer Gaskomponente in einem Gasgemisch
gemäß Anspruch 1 und dessen Verwendung.
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Stand der Technik
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Gassensoren,
insbesondere Stickoxidsensoren werden in großem Umfang
in Abgasnachbehandlungssystemen zum Beispiel zur Überwachung
und Regelung von SCR-Katalysatoren und NOx-Speicherkatalysatoren
eingesetzt. Die von den NOx-Sensoren bereitgestellten Sensorsignale
können dabei unter anderem verwendet werden, um einen Reagenzmittelschlupf
zu detektieren oder in Abhängigkeit des Sensorsignals die
Regeneration der Katalysatoren einzuleiten.
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Sensorelemente
auf Festelektrolytbasis, die elektrochemisch die Bestimmung einer
Gaskomponente in einem Gasgemisch ermöglichen, sind beispielsweise
in der
DE 199 62 912
C2 beschrieben. Die hieraus bekannten NOx-Sensoren arbeiten
nach dem sogenannten Doppelkammerprinzip. Hierbei wird in einer
ersten Kammer der Sauerstoffpartialdruck elektrochemisch bis auf
einen bestimmten Wert reduziert. In einer zweiten Kammer erfolgt
dann die weitere Reduktion auf einen noch kleineren Wert und die
Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks, sowie die Reduktion
der Stickoxide. Das Sensorelement enthält dazu mehrere
elektrochemische Zellen. Die Elektroden dieser Zellen sind auf ionenleitenden Festelektrolyten,
beispielsweise aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid, angeordnet
und mit diesem elektrisch leitend verbunden. Die elektrochemische
Reduktion der Stickoxide an der NOx-Messelektrode, die zusammen
mit einer Referenzelektrode die signalgebende Messzelle bildet,
liefert das eigentliche Mess signal, welches unter geeigneten Voraussetzungen
der Konzentration der Stickoxide im Gasgemisch proportional ist.
Die Größe des Messsignals bewegt sich dabei in
der Regel in der Größenordnung von einigen Nanoampere
bis hin zu einigen Mikroampere. Die Messung solch kleiner Ströme
ist empfindlich gegenüber Störungen, wie beispielsweise
der Einkopplung von Spannungen oder Strömen. Fehlströme,
die in der gleichen Größenordnung liegen oder
sogar größer sind als das zu messende Stromsignal,
können zu einer Verfälschung des Messsignals führen.
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Der
Betrieb amperometrischer Sensoren erfordert üblicherweise
auch die Regelung der Temperatur des Sensorelements auf einen festen
Wert oberhalb von 600°C. Dazu ist in einem typischen Sensoraufbau
ein interner elektrisch betriebener Heizer vorgesehen. Die elektrische
Heizleistung kann beispielsweise über ein Pulsweitenmodulationsverfahren
(PWM) eingestellt werden. Nachteilig ist, dass durch den Betrieb
solcher Heizer elektrische Einkopplungen sowie Leckströme
auftreten können, die zu signifikanten Messfehlern im Sensorsignal
führen können.
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In
dem vorstehend beschriebenen amperometrischen Gassensorelement können
Fehlströme auch durch eine sogenannte Permeation von Sauerstoff
in die zweite Kammer bedingt sein. Ist der Festelektrolyt nämlich
nicht rein ionenleitend, sondern weist bedingt durch anderswertige
oxidische Verunreinigungen einen Anteil elektronischer Leitfähigkeit auf,
kann Sauerstoff von Bereichen größerer Konzentration,
zum Beispiel im Referenzluftkanal oder im mageren Abgas, in Bereiche
wesentlich geringerer Konzentration, vor allem in die Kammer II,
gelangen. Er wird gemäß der folgenden Gleichung O2 + 4e– → 2O2– an einer Elektrode
mit höherem Sauerstoffpartialdruck eingebaut und an einer
Elektrode in der Kammer wieder ausgebaut. Dort werden die Elektronen wieder
frei und über den elektronenleitenden Anteil des Festelektrolyten
wieder zurückgeführt. Dies führt zu einer
Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes in Bereichen mit
ursprünglich niedrigem Wert, die insbesondere in der zweiten
Kammer zum Messsignal beitragen und dieses verfälschen
kann.
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In
der
EP 1 273 910 A2 ist
ein Sensorelement beschrieben, in dem die gegenseitige Beeinflussung
der elektrochemischen Zellen in einem Sensorelement durch Einbringen
einer zusätzlichen leitfähigen Abschirmung weitgehend
verhindert wird. Diese Abschirmung soll die Elektroden der elektrochemischen
Zelle gegenüber einem von einer zweiten elektrochemischen
Zelle oder von dem sich zwischen den Elektroden der zweiten elektrochemischen
Zelle bewegenden Ladungsträgern ausgehenden elektrischen
Feld abschirmen. Dadurch wird die Einhaltung eines konstanten Potenzials
an den Elektroden gewährleistet und ermöglicht
die exakte elektrochemische Reduktion der jeweiligen Gaskomponente,
in diesem Fall von Sauerstoff O
2 an einer
inneren Sauerstoffpumpelektrode und der Sauerstoffmesselektrode
sowie von NOx an der Stickoxid-Messelektrode und führt
zu einem exakt konzentrationsproportionalen NO-Messsignal.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen ein Sensorelement mit integrierter Abschirmung, insbesondere
für einen Gassensor zur Bestimmung der Konzentration mindestens
einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, bereitzustellen, das mindestens eine
Gaskomponenten-Messelektrode und mindestens eine weitere Mess- und/oder
Pumpelektrode, die jeweils mit einer Gegenelektrode elektrochemische
Messzellen und/oder Pumpzellen bilden, und einen Heizer umfasst,
wobei mindestens eine Mess- und/oder Pumpelektrode als Abschirmelektrode
zwischen der Gaskomponenten-Messelektrode und mindestens einer Störquelle
angeordnet ist.
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Mit
anderen Worten können die im Aufbau des Gassensorelements
bereits vorgesehenen Elektroden der elektrochemischen Zellen erfindungsgemäß derart
angeordnet werden, dass mindestens eine Mess- oder Pumpelektrode
neben ihrer aktiven Funktion als Pump- oder Messelektrode in der
elektrochemischen Zelle auch die Funktion der Abschirmung der empfindlichen
Gaskomponenten-Messelektrode vor einer oder mehreren Störquellen übernimmt.
Diese Elektrode, die als integrierte aktive Abschirmung im Gassensorelement
dienen kann, wird erfindungsgemäß auch als Abschirmelektrode
bezeichnet.
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Als
Störquelle werden erfindungsgemäß alle außerhalb
der Gaskomponenten-Messzelle liegenden Störquellen verstanden.
Zum einen können dies lokal außerhalb des Gassensorelementes
liegende Ursachen sein, wie zum Beispiel die kapazitive, ohmsche
oder induktive Einkopplung von externen Spannungen oder Strömen.
Ebenso können die Störquellen aber auch innerhalb
des Sensorelementes begründet (intrinsisch) sein, wie das
Auftreten von Fehl- oder Leckströmen. Diese können
beispielsweise durch die vorstehend beschriebene Sauerstoffpermeation
bedingt sein. Die Einkopplung von Heizerspannungen ist eine weitere
intrinsische Störquelle. Sie wird auch als Heizereinkopplung
bezeichnet.
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann die Gaskomponenten-Messzelle des
Sensors so vor äußeren Störungen geschützt
werden, dass ein Einfluss beispielsweise von Leckströmen,
Heizereinkopplung oder der Sauerstoffpermeation auf das Messsignal
entweder ganz verhindert oder zumindest minimiert wird. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden kann
damit vorteilhafterweise die Gaskomponenten-Messelektrode von Störquellen
weitestgehend abgeschirmt und eine exakte Messung des konzentrations-proportionalen
Gaskomponenten-Stromes gewährleistet werden. Vorteilhafterweise
ist erfindungsgemäß keine zusätzliche
Abschirmvorrichtung zum Schutz der empfindlichen Gaskomponenten-Messelektrode
mehr notwendig. Die Abschirmung kann allein durch die erfindungsgemäße
Anordnung der Elektroden der elektrochemischen Zellen des Gassensorelements
gewährleistet werden. Hierdurch kann der Aufbau des Sensorelements
mit einer integrierten aktiven Abschirmung deutlich einfacher und
kostengünstiger gestaltet werden.
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Zweckmäßigerweise
werden als Abschirmelektroden diejenigen Elektroden verwendet, die
von einem größeren Strom durchflossen werden als
die Gaskomponenten-Messelektrode, da sie grundsätzlich
von einer größeren Sauerstoffkonzentration umgeben
sind. Mit anderen Worten weisen die Abschirmelektroden einen größeren
Stromwert auf als die Gaskomponenten-Messelektrode. Hierdurch kann gewährleistet
werden, dass die Abschirmelektroden eine aktive Schutzfunktion für
die Gaskomponenten-Messelektrode übernehmen und Störströme,
beispielsweise Fehlströme aufgrund der Sauerstoffpermeation
abfangen und so verhindern können, dass das Messsignal
an der Gaskomponenten-Messelektrode verfälscht wird.
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Prinzipiell
können die Abschirmelektroden die Gaskomponenten-Messelektrode
käfigförmig umgeben. Hierdurch kann die Gaskomponenten-Messelektrode
durch die Abschirmelektroden in mehreren Raumrichtungen von Störquellen
abgeschirmt werden. Schematisch ist diese Anordnung in der 2 wiedergege ben,
ohne dabei die Gasflüsse darzustellen. Vorteilhafterweise
kann durch die Käfigform der Abschirmelektroden, die die
Gaskomponenten-Messelektrode umgeben, die Wirkung von Störquellen
auf die Gaskomponenten-Messelektrode verhindert oder zumindest minimiert
werden. Gleichzeitig kann eine exakte Bestimmung der Konzentration mindestens
einer der Gaskomponenten im Gasgemisch sichergestellt werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung sind in dem Sensorelement mehrere Abschirmelektroden
vorgesehen, die zu gleichen oder verschiedenen Seiten der Gaskomponenten-Messelektrode
angeordnet sein können. Hierdurch kann die Abschirmung
der Gaskomponenten-Messelektrode vor Störquellen nochmals
verstärkt und verbessert werden.
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Eine
andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements
sieht vor, dass Elektroden aus gleich zusammengesetztem Elektrodenmaterial in
räumlicher Nähe zueinander und aus verschieden zusammengesetztem
Elektrodenmaterial möglichst weit voneinander entfernt
angeordnet werden. Hierdurch kann weitestgehend eine Kontamination
der Elektroden verhindert werden.
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Zusätzlich
oder alternativ kann in einer bevorzugten Ausführungsform
zu diesem Zweck, also der Verhinderung der Kontamination, eine oder
mehrere Elektroden mit einer Schutzschicht, zum Beispiel einer so
genannten Getterschicht, versehen sein. Solche Getterschichten sind
beispielsweise in der
DE 102
07 229 A1 beschrieben. Durch solche Schutzschichten kann
die Gefahr von Kontamination der Elektroden weiter vermindert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die
Gaskomponenten Messelektrode eine Stickoxid-Messelektrode sein und
weiterhin eine Sauerstoff-Messelektrode und/oder eine Sauerstoff-Pumpelektrode
zwischen der Stickoxid-Messelektrode und mindestens einer Störquelle angeordnet
sein. Hierdurch kann in einem Gasgemisch eine exakte und störungsfreie
Messung von Stickoxiden durchgeführt werden. Das Gasgemisch kann
beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors sein. Die Abschirmung
der Messelektrode vor Störquellen wird dabei effizient
durch die Anordnung der Elektroden im Sensorelement ermöglicht.
Eine zusätzliche Abschirmvorrichtung ist erfindungsgemäß nicht
notwendig. Das erfindungsgemäße Sensorelement
mit einer integrierten Abschirmung kann dadurch vorteilhafterweise
einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren erläutert, ohne hierauf beschränkt
zu sein. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Es
zeigt
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1 eine
Längsschnitt durch ein bereits bekanntes Sensorelement
des Stands der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung der Elektroden der elektrochemischen Zellen ohne Berücksichtigung
der Gasflüsse, und die
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3 bis 7 zeigen
jeweils schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen
Anordnungen der Elektroden der elektrochemischen Zellen in einem
Sensorelement.
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In 1 ist
ein prinzipieller Aufbau eines bereits bekannten Sensorelements 10 eines
elektrochemischen Gassensors dargestellt, das beispielsweise der
Bestimmung sauerstoffhaltiger Gase, insbesondere der Bestimmung
des Stickoxidgehaltes von Abgasen dienen kann. Das planare Sensorelement 10 weist
eine Mehrzahl an Festelektrolytschichten 11a, 11b und 11c auf,
die beispielsweise als keramische Folien ausgeführt sind.
Diese Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c können
beispielsweise aus Yttriumoxid-stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid
gebildet sein. Das Sensorelement 10 umfasst einen inneren
Gasraum 12, der eine Gaseintrittsöffnung 13 aufweist,
die den Kontakt mit dem Gasgemisch ermöglicht. In Richtung
des Pfeils A kann das Gasgemisch in das Sensorelement 10 eintreten.
Innerhalb der Gaseintrittsöffnung 13 befindet sich
dem inneren Gasraum 12 vorgelagert eine poröse
Diffusionsbariere 14a, durch die ausschließlich der
Gaseintritt erfolgt. Durch eine zweite poröse Diffusionsbariere 14b ist
der innere Gasraum 12 in eine erste Kammer 12a und
eine zweite Kammer 12b unterteilt. In der ersten Kammer 12a befindet
sich einen erste Elektrode 15. In der zweiten Kammer 12b befinden
sich eine zweite Elektrode 16 und eine dritte Elektrode 17,
die Gaskomponenten-Messelektrode 17. An der äußeren
dem Messgasmisch zugewandten Seite der Festelektrolytschicht befindet
sich eine äußere Elektrode 18, die mit
einer nicht dargestellten porösen Schutzschicht bedeckt
sein kann. Die Elektroden 15 und 16 können
mit der äußeren Elektrode 18 zusammen
jeweils eine elektrochemische Pumpzelle bilden. Mittels der Pumpzelle
aus der ersten Elektrode 15 und der äußeren
Elektrode 18 kann in der ersten Kammer 12a des
inneren Gasraums 12 des Sensorelements 10 der
Sauerstoffpartialdruck deutlich verringert und mittels der Pumpzelle
aus der zweiten Elektrode 16 und der äußeren
Elektrode 18 in der zweiten Kammer 12b weiter
verringert werden. Die erste Elektrode 15 ist also von
einem deutlich höheren Strom durchflossen als die zweite
Elektrode 16. Zur Kontrolle des eingestellten Sauerstoffpartialdrucks
können die Elektroden 15 und 16 mit einer Referenzelektrode 19,
die in einem Referenzgaskanal 20 angeordnet ist, zu so
genannten Nernst- oder Konzentrationszellen zusammengeschaltet sein.
So wird ein direkter Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration
im inneren Gasraum 12 abhängigen Sauerstoffpotentials
der inneren Elektroden 15 und 16 mit dem konstanten
Sauerstoffpotential der Referenzelektrode 19 in Form einer
messbaren elektrischen Spannung ermöglicht. Auf der der
Gaseintrittsöffnung abgewandten Seite befindet sich im
inneren Gasraum eine weitere innere Elektrode 17, die zusammen
mit der Referenzelektrode 19 eine weitere Pumpzelle bildet,
die dem Nachweis der zu bestimmenden Gaskomponente, beispielsweise
von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, dient. Die zu
bestimmende Gaskomponente wird an der inneren Elektrode 17 zersetzt
und der dabei freiwerdende Sauerstoff reduziert und abgepumpt. Als
Maß für die Konzentration der zu bestimmenden
Gaskomponente wird der zwischen den Elektroden 17 und 19 fließende
Pumpstrom herangezogen.
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In 2 ist
die prinzipielle Anordnung der Elektroden schematisch dargestellt.
Die Elektroden sind, der Reihenfolge der sie umgebenden Sauerstoffpartialdrücke
bzw. ihrer daraus resultierenden Stromwerte folgend, käfigförmig
von außen nach innen um die Gaskomponenten-Messelektrode 17 angeordnet.
Ganz außen befindet sich also die Elektrode 15,
die vom größten Sauerstoffpartialdruck umgeben
und demzufolge vom größten Strom durchflossen
wird. Zwischen dieser und der Gaskomponenten-Messelektrode 17 ist
die zweite Elektrode 16 angeordnet. Beide Elektroden 15 und 16 können
als Abschirmelektroden für die empfindliche Gaskomponenten-Messelektrode 17 fungieren,
und zusätzlich kann noch die erste Elektrode 15 als
Abschirmelektrode für die zweite Elektrode 16 wirken,
da sie von einem größeren Strom durchflossen wird
als diese. Eine elektrische Kontaktierung erfolgt über
die jeweiligen Zuleitungen 24 der Elektroden.
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Diese
erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden in einer
Käfigform bewirkt, dass vorteilhafterweise die empfindliche
Gaskomponenten-Messelektrode 17, gegenüber äußeren
elektrischen Feldern, beispielsweise Leckströmen einer
Heizeinrichtung oder einem von den transportierten Sauerstoffionen
ausgehenden elektrischen Feld sowie gegenüber Störungen
durch auftretende Sauerstoffpermeation wirksam durch die Elektroden 15 und 16 abgeschirmt
werden kann.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektroden der elektrochemischen
Zellen eines erfindungsgemäßen Sensorelements
dargestellt, in der eine Sauerstoffpumpelektrode 15 als
Abschirmelektrode zwischen einer Sauerstoff-Messelektrode 16 und
einer Stickoxid-Messelektrode 17 und einem Heizelement
angeordnet ist und so beide Elektroden 16 und 17 vor
Heizereinkopplungen schützt. Das Sensorelement enthält
außerdem als Aufbauelemente mehrere keramische Folien 4, 5, 6 und 7 und
keramische Druckschichten 9. Die Heizerseite des gezeigten
Sensorelements ist mit X gekennzeichnet. Die Elektroden 15 und 16 sind zur
Erhöhung der Elektrodenfläche jeweils paarweise aus
jeweils demselben Material auf der Ober- und der Unterseite der
Kammer 1 des gezeigten Sensorelementes angeordnet, dasselbe
gilt für die Elektrode 17 in Kammer 2.
Auf der Unterseite von Kammer 1, befinden sich also die
Elektroden 15 und 16. Die Elektrode 15 ist
dabei in einer gestuften Form ausgeführt und auf der keramischen
Folie 4 sowie einer auf dieser Folie 4 aufgebrachten
keramischen Druckschicht 9 angeordnet. Die Elektrode 16 ist
im Gasweg hinteren Teil der Kammer 1 auf der keramischen
Druckschicht 9a angeordnet. Die keramische Druckschicht 9a ist
wiederum auf der Elektrode 15 angeordnet. Auf der Oberseite
von Kammer 1, befinden sich die Elektroden 15 und 16,
die wiederum durch eine keramische Druckschicht 9a voneinander
getrennt sind. Die Elektrode 15 ist dabei im Gasweg vorne
liegenden Teil der Kammer 1 auf einer keramischen Druckschicht 9 angeordnet,
die wiederum auf der keramischen Folie 5 angeordnet ist.
Der im hinteren Teil der Kammer 1 angebrachte Bereich der
Elektrode 15 ist direkt auf der keramischen Folie 5 angeordnet.
Die Elektrode 17 ist auf der Unterseite von Kammer 2 auf der
keramischen Folie 5 angeordnet. Die Elektrode 17 ist
ebenfalls auf der Oberseite der Kammer 2, auf der keramischen
Folie 6 angeordnet. Die keramische Folie 7 bildet
eine Seitenwand der Kammer 2. Die Elektroden 15 und 16 können
in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise beide eine
aktive Abschirmfunktion für die Gaskomponenten-Messelektrode 17, deren
Messgaskammer 2 sich in einer anderen Ebene des gezeigten
Sensorelementes befindet, übernehmen und Heizereinkopplungen
abfangen. Zusätzlich umgibt in der gezeigten Ausführungsform
die Sauerstoffpumpelektrode 15 die Sauerstoffmesselektrode 16 messgasseitig.
Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil, das Sauerstoff, der durch
Permeation in das Sensorelement eindringt, reduktiv entfernt werden
kann und das Messsignal der Messzelle mit der Sauerstoffmesselektrode 16 nicht
verfälscht wird. Vorteilhaft an dieser Anordnungsvariante
der Elektroden ist ebenfalls eine geringere Kontamination unterschiedlich
zusammengesetzter Elektroden, da die Elektroden 15 und 16 aus
gleichem Elektrodenmaterial, die Elektrode 17 jedoch aus
anderem Elektrodenmaterial zusammengesetzt ist.
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In
der in 4 dargestellten Ausführungsform ist eine
Sauerstoffpumpelektrode 15 auf der dem Heizelement zugewandten
Ebene, der Heizerseite X eines Sensorelements angeordnet. Auch hier wurden
die Elektroden 15, 16 und 17 jeweils
paarweise ausgeführt. Die Unterseite der Kammer 1 bildet die
keramische Folie 4 mit der darauf angeordneten Elektrode 15.
Die Oberseite der Kammer 1 wird durch die keramische Folie 5 mit
dem darauf angeordneten Teil der Elektrode 15 gebildet.
Auf derselben keramischen Folie 5, im Gasweg jedoch der
Elektrode 15 nachgeschaltet, sind der untere Teil der Sauerstoffmesselektrode 16 und
der Gaskomponenten-Messelektrode 17 angeordnet und bilden
mit dieser so die Unterseite der Kammer 2. Auf der keramischen
Folie 6 sind die oberen Teilstücke der beiden
Elektroden 16 und 17 angeordnet und bilden mit
dieser die Oberseite von Kammer 2. Vorteilhafterweise können
durch die aktive Abschirmungsfunktion, die die Sauerstoffpumpelektrode 15 wahrnimmt,
die Elektroden 16 und 17 vor Heizereinkopplungen
geschützt werden. Einer möglichen Kontamination
durch die benachbarte Anordnung der unterschiedlich zusammengesetzten Elektroden 16 und 17 kann
durch das Aufbringen einer Getterschicht Rechnung getragen werden.
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In
der in 5 gezeigten erfindungsgemäßen
Ausgestaltung umgibt die Sauerstoffpumpelektrode 15 räumlich
die Sauerstoff-Messelektrode 16 und die Gaskomponenten-Messelektrode 17 und kann
daher beide Elektroden 16, 17 vorteilhafterweise
sowohl vor Heizereinkopplungen als auch vor einer Sauerstoffpermeation
abschirmen. Eine mögliche Kontaminationsgefahr, die sich
durch die benachbarte Anordnung von unterschiedlich zusammengesetzten
Elektroden ergeben kann, kann beispielsweise wiederum durch die
Aufbringung einer Getter schicht auf die Elektroden verhindert werden. Das
in 5 dargestellte Sensorelement besteht aus 2 Kammern.
Der Gaseintritt in die Kammer 1 erfolgt über eine
poröse Diffusionsbarriere 14. Auf der Unterseite
der Kammer 1, die durch die Folie 5 gebildet wird,
ist ein unterer Teil der Elektrode 15 angeordnet. Die Oberseite
der Kammer 1 wird von der keramischen Folie 6 gebildet
und trägt den oberen Teil der Elektrode 15. Die
Kammer 2, die im Gasweg nach der Kammer 1 liegt,
wird oberseitig aus der keramischen Folie 5 und unterseitig
von der keramischen Folie 4 gebildet. Auf der Unterseite
der keramischen Folie 5 sind die oberen Teile der Elektroden 16 und 17 angeordnet.
Entsprechend sind auf der Oberseite der Folie 4 auf einer
keramischen Druckschicht 9, die dazugehörigen
unteren Teile der Elektroden 16 und 17 aufgebracht.
Die Teile der Elektrode 15, die nicht im Inneren der Kammern 1 und 2 angeordnet
sind, sind als Durchkontaktierungen 25, beispielsweise zwischen
der keramischen Folie 5, sowie Folie 7 und der
keramischen Druckschicht 9 ausgeführt. Der Vorteil
dieser Ausführungsform besteht darin, dass die empfindliche
Gaskomponenten-Messelektrode 17 sowie die Elektrode mit
dem nächstgrößeren Strom, die Sauerstoff-Messelektrode
16, rundum umschlossen sind von der Sauerstoffpumpelektrode 15.
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Das
in 6 dargestellte Sensorelement besteht aus drei
Kammern, wobei der Gaseinlass durch die porösen Diffusionsbarrieren 14a und 14b sowohl in
Kammer 1 als auch in Kammer 3 erfolgt. Die Kammer 1 wird
oberseitig und unterseitig durch die keramischen Folien 4 und 5 gebildet
und enthält einen oberen und unteren Teil der Elektrode 15.
Im Gasweg zwischen Kammer 1 und Kammer 3 liegt
Kammer 2, in der die Elektroden 16 und 17 angeordnet
sind. Diese Kammer 2 wird oberseitig und unterseitig aus
den keramischen Folien 5 und 6, auf denen die
Elektroden 16 und 17 angeordnet sind, sowie den
keramischen Folien 8a und 8b gebildet. Die Kammer 3 wird oberseitig
und unterseitig aus den Folien 7 und 6 gebildet.
Die Sauerstoffpumpelektrode 15 ist in dieser Ausführungsform
in doppelter Ausführung zur Heizerseite und zur gegenüberliegenden
Seite der Sauerstoff-Messelektrode 16 und NOx-Messelektrode 17 angeordnet
und kann so vorteilhafterweise wiederum beide Elektroden 16 und 17 vor
der Heizereinkopplung und vor Sauerstoffpermeation abschirmen. Ein zusätzlicher
Vorteil hierbei ist, dass durch die, relativ zur in 5 gezeigten
Ausführung, erreichte Flächenvergrößerung
der Sauerstoffpumpelektrode 15 eine Verbesserung der elektrochemischen
Sauerstoffreduktion durch optimale Sauerstoffpumpströme erzielt
werden kann. Einer möglichen Kontamination von unterschiedlich
zusammengesetzten Elektroden kann wiederum durch die Aufbringung
von Schutzschichten auf den Elektrodenoberflächen entgegengewirkt
werden. Die Teile der Elektrode 15, die nicht im Inneren
der Kammern 1 und 3 angeordnet sind, sind als
Durchkontaktierungen beispielsweise zwischen den keramischen Folien 6 sowie 8a, 8b und 5 ausgeführt.
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7 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform, in der das Sensorelement
wiederum aus drei Kammern 1, 2 und 3 besteht
und die Sauerstoffpumpelektrode 15 und die Sauerstoff-Messelektrode 16 in
einer Kammer 3 angeordnet sind. Der Gaseinlass ist in dieser
Ausführungsform wiederum durch die beiden Diffusionsbarrieren 14a und 14b möglich. Beide
Elektroden 15 und 16 können die Stickoxid-Messelektrode 17 zu
einer Seite hin abschirmen. Die Sauerstoffpumpelektrode 15 ist
in der Kammer 1 zusätzlich auf der Heizerseite
X des Sensorelementes unterhalb der Stickoxid-Messelektrode 17 in Kammer 2 angeordnet
und schirmt die Stickoxid-Messelektrode 17 daher vorteilhafterweise
vor Heizereinkopplungen ab. Die Stickoxid Messelektrode 17 ist
außerdem in dieser Anordnung der Elektroden im gezeigten
Sensorelement vor Einflüssen durch Sauerstoffpermeation
geschützt. Die Sauerstoffmesselektrode 16 ist
in dieser Ausführungsform nicht vor dem Einfluss der Sauerstoffpermeation
geschützt. Die Sauerstoffpumpelektrode 15 und
Sauerstoffmesselektrode 16 können eine gleiche
Zusammensetzung aufweisen und beispielsweise als Platin-Gold haltige
Elektroden ausgeführt sein. Hierdurch kann die Gefahr einer
Kontamination durch unterschiedlich zusammengesetzte Elektroden
vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
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Sensorelemente
gemäß der vorliegenden Erfindung können
zur Bestimmung unter anderem von Stickoxiden (NOx), Sauerstoff,
Kohlenmonoxid oder Schwefeloxiden in Gasgemischen eingesetzt werden.
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Die
Erfindung betrifft besonders bevorzugt die Verwendung eines erfindungemäßen
Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff,
Kohlenmonoxid, Schwefeloxiden und/oder Stickoxiden im Abgas eines
Verbrennungsmotors.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Gassensor enthaltend ein erfindungsgemäßes
Sensorelement. Durch die integrierte aktive Abschirmung durch die
Anord nung der Elektroden ist eine zusätzliche Abschirmvorrichtung
vorteilhafterweise nicht mehr notwendig, um unerwünschte
Einflüsse von Störquellen auf das Sensorsignal
zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Hierdurch kann ein erfindungsgemäßer
Gassensor besonders einfach und kostengünstig hergestellt
werden.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors enthaltend
ein erfindungsgemäßes Sensorelement. Vorteilhafterweise
kann eine exakte Bestimmung, beispielsweise von Stickoxiden im Abgas
erfolgen, ohne dass das Sensorelement eine zusätzliche
Abschirmvorrichtung aufweisen muss.
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Zusammenfassend
wird erfindungsgemäß ein Sensorelement mit einer
integrierten Abschirmung bereitgestellt, mit dem eine exakte und
störungsfreie Messung der Konzentration einer Gaskomponente
in einem Gasgemisch erfolgen kann. Zudem erlaubt die erfindungsgemäße
integrierte aktive Abschirmung, die durch die Anordnung der Elektroden
im Sensorelement erzielt wird, eine einfache und kostengünstige
Herstellung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19962912
C2 [0003]
- - EP 1273910 A2 [0006]
- - DE 10207229 A1 [0015]