DE102009038097A1

DE102009038097A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102009038097A1
Application number: DE102009038097A
Authority: DE
Inventors: Felizitas Heilmann; Olaf Dr. Toedter
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03
Also published as: DE102009038097A8

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einer Substratschicht (1a, 1b), einem Heizelement (2) und einer sauerstoffsensitiven Funktionsschicht (3, 6) zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei einer Messtemperatur. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine zweite sauerstoffsensitive Funktionsschicht (6) zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei einer zweiten Messtemperatur verwendet wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gassensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Gassensor ist aus WO 2009/058281 A2 bekannt.
Die WO 2009/058281 A2 beschreibt einen mehrschichtigen Gassensor, der eine stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht zur Messung der Stickstoffoxidkonzentration und eine sauerstoffsensitive Funktionsschicht zur Messung der Sauerstoffkonzentration aufweist. Die beiden Funktionsschichten befinden sich in zwei Heizzonen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Die erste Heizzone wird zur Stickstoffoxidmessung auf etwa 500°C und die zweite Heizzone zur Sauerstoffmessung auf etwa 700°C aufgeheizt.
Derartige Sensoren werden im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt und müssen deshalb robust aufgebaut sein. Im Fahrzeugbetrieb auftretende Vibrationen und Erschütterungen sowie hohe Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel müssen solche Sensoren ebenso aushalten wie chemische Belastungen durch Abgase.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich die Sauerstoffkonzentration im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer größeren Genauigkeit messen lässt.
Ein erfindungsgemäßer Gassensor hat zwei sauerstoffsensitive Funktionsschichten zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei zwei unterschiedlichen Messtemperaturen. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit wesentlich gesteigert werden. Da das Sauerstoffsignal von der Temperatur abhängt, kann nämlich mit einem erfindungsgemäßen Sensor neben den absoluten Signalintensitäten der beiden Funktionsschichten auch der durch die unterschiedlichen Messtemperaturen bedingte Signalunterschied zur Konzentrationsbestimmung genutzt werden. Indem die Sauerstoffkonzentration bei zwei bekannten Temperaturen gemessen wird, kann ein bei Messungen unvermeidlicherweise stets vorhandener Signaluntergrund bei der Auswertung kompensiert werden. Bevorzugt unterscheiden sich die beiden Messtemperaturen um mindestens 30 K, beispielsweise um 50 K bis 100 K.
Die beiden sauerstoffsensitiven Funktionsschichten können mit unterschiedlichen Heizelementen beheizt werden. Bevorzugt werden die sauerstoffsensitiven Funktionsschichten aber mit demselben Heizelement beheizt. Beispielsweise kann die erste Funktionsschicht im Zentrum einer Heizzone und die zweite Funktionsschicht neben der ersten Funktionsschicht in einem Abstand von dem Zentrum der Heizzone angeordnet werden.
Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration kann ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Keramik auf Basis von dotiertem Cer- oder Zirkonoxid, in Kombination mit einem weiteren Oxid, beispielsweise einem modifizierten Lanthan-Perovskit, insbesondere La_0.8Sr_0.2FeO₃, verwendet werden. Durch katalytische Aufspaltung von molekularem Sauerstoff wird die Leerstellenkonzentration an einer der beiden Elektroden in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration geändert. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung fließt dann ein von Sauerstoffionen getragener Strom durch den zwischen den Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyten, so dass durch eine elektrische Messung die Sauerstoffkonzentration bestimmt werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor zusätzlich eine weitere Funktionsschicht zur Messung einer weiteren Gaskomponente aufweist. Mit einer weiteren Funktionsschicht kann beispielsweise die Konzentration von Stickstoffoxid, Ammoniak, Wasser oder Kohlenstoffoxid (CO und/oder CO₂) gemessen werden. Prinzipiell kann die weitere Funktionsschicht auf derselben Substratschicht wie die sauerstoffsensitiven Funktionsschichten angeordnet werden. Bevorzugt ist bei einem erfindungsgemäßen Gassensor das Heizelement aber zwischen zwei Substratschichten angeordnet, wobei eine der beiden Substratschichten die sauerstoffsensitiven Funktionsschichten und die andere Substratschicht wenigstens eine weitere Funktionsschicht, beispielsweise eine stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht, trägt. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein besonders kompakter Gassensor realisiert werden. Zudem können so mit einem einzigen Heizelement sowohl sauerstoffsensitive als auch weitere Funktionsschichten zur Messung weiterer Gaskomponenten beheizt werden.
Die Konzentration einer weiteren Gaskomponente, beispielsweise die Stickstoffoxidkonzentration, kann im Wesentlichen mit demselben Prinzip wie die Sauerstoffkonzentration gemessen werden. Bevorzugt wirkt dabei ein Festkörperelektrolyt auf Basis von dotiertem Cer- oder Zirkonoxid mit einem Oxidwerkstoff zusammen wirkt, beispielsweise aus Niob-, Titan, Zink- und/oder Zinnoxid in Kombination mit modifiziertem Lanthan-Perovskit. Einzelheiten zur Herstellung von Stickstoffoxidsensitiven Funktionsschichten und den darauf basierenden Sensoren sind in dem Artikel „NO-selective" NOx sensing elements for combustion exhausts" von West et al., Sens. Actuators B 111–112 (2005) 84–90 beschrieben. Geeignete Materialien für stickstoffoxidsensitive Funktionsschichten, also Funktionsschichten zur Messung der NO und/oder NO₂ Konzentration, sind beispielsweise auch in dem Artikel „Materials for high temperature electrochemical NOx gas sensors" von J. Fergus, Sens. Actuators B 121 (2007) 652–663 beschrieben.
Bevorzugt hat ein erfindungsgemäßer Gassensor zwei stickstoffoxidsensitive Funktionsschichten, so dass auch die Stickstoffoxidkonzentration bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden kann. Die beiden Temperaturen zur Messung der Stickstoffoxidkonzentration sollten sich um mindestens 20 K unterscheiden. Besonders geeignet sind Temperaturunterschiede zwischen 25 K und 100 K, insbesondere zwischen 25 und 50 K.
Um die Messgenauigkeit weiter zu verbessern können weitere sauerstoff- oder stickstoffoxidsensitive Funktionsschichten hinzugefügt werden, so dass die Sauerstoff- bzw. die Stickstoffoxidkonzentration bei drei oder sogar noch mehr unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors.
Der in 1 dargestellte Gassensor hat zwei elektrisch isolierende Substratschichten 1a, 1b, beispielsweise aus Aluminiumoxid, zwischen denen ein Heizelement 2, beispielsweise aus Platin oder einer Platinlegierung, angeordnet ist. Das Heizelement 2 erzeugt auf den beiden Substratschichten 1a, 1b jeweils eine Heizzone. Auf dem ersten Substrat 1a ist in der Heizzone eine sauerstoffsensitive Funktionsschicht 3 angeordnet. Die sauerstoffsensitive Funktionsschicht 3 kontaktiert zwei Elektroden bzw. Elektrodenzuleitungen 4, 5.
Neben der Funktionsschicht 3 ist eine zweite sauerstoffsensitive Funktionsschicht 6 angeordnet, um die Sauerstoffkonzentration eines den Sensor umgebenden Gasstroms bei einer zweiten Temperatur zu messen. Die zweite Funktionsschicht 6 ist in einem Abstand von Zentrum der Heizzone, welche die erste Funktionsschicht 3 beheizt, angeordnet. Die zweite Funktionsschicht verläuft bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zum Rand der Heizzone und umgibt die erste Funktionsschicht bogenförmig. Da die zweite Funktionsschicht 6 am Rand der Heizzone angeordnet ist, wird sie von dem Heizelement 2 weniger stark beheizt als die erste Funktionsschicht 3. Im Betrieb hat deshalb die zweite Funktionsschicht 6 stets eine geringere Temperatur als die erste Funktionsschicht 3.
Bevorzugt sind die beiden Funktionsschichten 3, 6 in Bezug auf das Heizelement 2 so angeordnet, dass sich die Temperaturen der beiden Funktionsschichten 3, 6 um mindestens 30 K, beispielsweise um 50 K bis 100 K unterscheiden. Bevorzugt haben die sauerstoffsensitiven Funktionsschichten 3, 6 im Betrieb eine Temperatur von mindestens 550°C. Beispielsweise kann die zweite Funktionsschicht 6 bei einer Temperatur zwischen 550°C und 650°C und die erste Funktionsschicht 3 bei einer um 50 K bis 100 K höheren Temperatur, also zwischen 600°C und 750°C, betrieben werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind über die zweite Funktionsschicht 6 zwei separate Elektroden bzw. Elektrodenzuleitungen 7, 8 miteinander verbunden. Es ist aber auch möglich, eine Zuleitung der beiden Funktionsschichten 3, 6 mit derselben Elektrode herzustellen. Um die Sauerstoffkonzentration mit den Funktionsschichten 3, 6 durch eine Strom- und/oder Spannungsmessung zu bestimmen, genügt es, die Funktionsschichten 3, 6 parallel zueinander zu schalten und den durch jede der Funktionsschichten 3, 6 fließenden Strom und die angelegte Spannung zu messen.
Die zweite Substratschicht 1b trägt eine stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 10, die in einem Abstand von dem Zentrum der von dem Heizelement 2 in der zweiten Substratschicht 1b erzeugten Heizzone angeordnet ist. Die stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 10 hat deshalb im Betrieb eine geringere Temperatur als die erste sauerstoffstoffsensitive Funktionsschicht 3. Neben der ersten stickstoffoxidsensitiven Funktionsschicht 10 ist eine zweite stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 11 angeordnet, die sich in einem größeren Abstand von dem Zentrum der Heizzone befindet und deshalb im Betrieb eine niedrigere Temperatur als die erste stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 10 hat.
Die stickstoffoxidsensitive Funktionsschichten 10, 11 verbinden ebenso wie die sauerstoffsensitiven Funktionsschichten 3, 6 jeweils mindestens zwei Elektroden 12, 13 bzw. 14, 15. Die Stickstoffoxidkonzentration kann somit durch eine elektrische Messung, beispielsweise der Leitfähigkeit der stickstoffoxidsensitiven Schichten 10, 11 bestimmt werden. Wie vorstehend im Zusammenhang mit den sauerstoffsensitiven Funktionsschichten beschrieben, kann der Aufbau etwas vereinfacht werden, indem für einen Anschluss der beiden stickstoffoxidsensitiven Funktionsschichten 10, 11 eine gemeinsame Elektrode bzw. Elektrodenzuleitung verwendet wird.
Die beiden stickstoffoxidsensitiven Funktionsschichten 10, 11 sind bogenförmig gerundet. Die zweite stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 11 umgibt die erste stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 10. Bei der in 1 dargestellten Form des Heizelements 2 sind isochrone Flächen auf den Substratschichten 1a, 1b nämlich näherungsweise kreisförmig. Indem die Funktionsschichten 6, 10, 11 entsprechend bogenförmig ausgebildet sind, wird erreicht, dass innerhalb der Funktionsschichten 6, 10, 11 keine oder nur vernachlässigbar kleine Temperaturgradienten auftreten.
Um durch Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen die Stickstoffoxidkonzentration mit einer guten Genauigkeit bestimmen zu können, sollten sich die Temperaturen der beiden stickstoffoxidsensitiven Funktionsschichten 10, 11 im Betrieb um mindestens 20 K unterscheiden. Besonders geeignet sind Temperaturunterschiede zwischen 25 K und 100 K, insbesondere zwischen 25 K und 50 K. Beispielsweise kann die erste stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 10 bei einer Temperatur zwischen 350°C und 650°C und die zweite stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht 11 bei einer entsprechend höheren Temperatur zwischen 370°C und 750°C betrieben werden.
Um die Temperatur der einzelnen Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 zu ermitteln, kann der dargestellte Gassensor mit einem oder mehreren Temperaturfühlern ausgerüstet werden. Zwingend erforderlich sind derartige Temperaturfühler jedoch nicht. Die Temperatur der einzelnen Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 kann nämlich auch aus dem temperaturabhängigen Widerstand des Heizelements 2 berechnet werden.
Durch die Temperatur des Heizelements 2 ist die Temperatur der Heizzonen auf den Substratschichten 1a, 1b und in guter Nährung auch der Temperaturgradient vom Zentrum der Heizzonen zu den Rändern der Substratschichten 1a, 1b festgelegt. Prinzipiell genügt es deshalb, bei einem Sensor einer Serienproduktion bei der Betriebstemperatur des Heizelements 2 die Temperaturen der einzelnen Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 zu messen und auf diese Weise entsprechende Kennlinien zu erstellen. Bei allen Sensoren der entsprechenden Bauserie kann dann aus der durch eine Widerstandmessung erhältlichen Temperatur des Heizelements 2 auch auf die Temperaturen der Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 geschlossen werden.
Zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Sensors kann das Heizelement 2 auf eine fertige Substratschicht 1a, 1b aufgebracht oder zwischen zwei fertige Substratschichten 1a, 1b gelegt werden. Bevorzugt wird das Heizelement 2 aber auf einen Grünkörper aufgebracht, aus dem durch Sintern eine der Substratschichten 1a, 1b erzeugt wird. Geeignet sind insbesondere Grünkörper in Form von Folien. Das Heizelement 2 kann beispielsweise in einen Grünkörper eingepresst oder aufgedruckt werden. Das Heizelement besteht bevorzugt überwiegend aus Platin.
Die Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 sowie die Elektroden 4, 5, 7, 8, 12, 13, 14, 15 können anschließend auf die gesinterten Substratschichten 1a, 1b aufgebracht werden. Möglich ist es auch, die Funktionsschichten 3, 6, 10, 11 und/oder die Elektroden 4, 5, 7, 8, 12, 13, 14, 15 vor dem Sintern der Funktionsschichten 1a, 1b auf den Grünkörpern anzubringen.
Dem beschriebenen Sensor können weitere Funktionsschichten hinzugefügt werden, um die Sauerstoffkonzentration und/oder die Stickstoffoxidkonzentration zusätzlich auch bei weiteren Temperaturen zu messen, so dass die Sauerstoffkonzentration bzw. die Stickstoffoxidkonzentration durch Auswertung von Konzentrationsmessungen bei drei oder mehr Messtemperaturen mit einer noch größeren Genauigkeit bestimmt werden kann. Die Funktionsschichten können bei einem solchen Sensor ebenfalls mit einem einzigen Heizelement beheizt werden. Beispielsweise können drei Funktionsschichen nebeneinander angeordnet werden, so dass eine mittlere Funktionsschicht auf die höchste Messtemperatur aufgeheizt wird und die beiden benachbarten Funktionsschichten in unterschiedlichem Abstand von dem Zentrum der Heizzone angeordnet sind. Möglich ist es aber auch, mehrer Funktionsschichten in einer Reihe anzuordnen, so dass eine am Anfang der Reihe angeordnete Funktionsschicht die höchste Messtemperatur hat und die weiteren Funktionsschichten in einem zunehmenden Abstand von dem Zentrum der Heizzone angeordnet sind und entsprechend auf niedriger Messtemperaturen aufgeheizt werden.
Bezugszeichenliste

1a: erste Substratschicht
1b: zweite Substratschicht
2: Heizelement
3: erste sauerstoffsensitive Funktionsschicht
4: Elektrode
5: Elektrode
6: zweite sauerstoffsensitive Funktionsschicht
10: erste stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht
11: zweite stickstoffoxidsensitive Funktionsschicht
12: Elektrode
13: Elektrode
14: Elektrode
15: Elektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/058281 A2 [0001, 0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„NO-selective” NOx sensing elements for combustion exhausts” von West et al., Sens. Actuators B 111–112 (2005) 84–90 [0009]
„Materials for high temperature electrochemical NOx gas sensors” von J. Fergus, Sens. Actuators B 121 (2007) 652–663 [0009]

Claims

Gassensor mit einer Substratschicht (1a, 1b), einem Heizelement (2) und einer sauerstoffsensitiven Funktionsschicht (3, 6) zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei einer Messtemperatur, gekennzeichnet durch eine zweite sauerstoffsensitive Funktionsschicht (6) zur Messung der Sauerstoffkonzentration bei einer zweiten Messtemperatur.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (6) neben der ersten Funktionsschicht (3) angeordnet ist.
Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht (3) im Zentrum einer Heizzone des Heizelements (2) und die zweite Funktionsschicht (6) in einem Abstand von dem Zentrum der Heizzone angeordnet ist.
Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (6) die erste Funktionsschicht (3) bogenförmig umgibt.
Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) zwischen der Substratschicht (1a) und einer zweiten Substratschicht (1b) angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Substratschicht (1b) eine weitere Funktionsschicht (10) zur Messung der Konzentration einer weiteren Gaskomponente bei einer Messtemperatur trägt.
Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionsschicht (10) eine stichstoffoxidsensitive Funktionsschicht zur Messung der Stickstoffoxidkonzentration ist.
Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionsschicht (10) auf der zweiten Substratschicht (1b) in einem Abstand vom Zentrum einer Heizzone, welche diese Funktionsschicht (10) beheizt, angeordnet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass neben der ersten weiteren Funktionsschicht (10) eine zweite weitere Funktionsschicht (11) zur Messung der Konzentration der weiteren Gaskomponente bei einer weiteren Messtemperatur angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite weitere Funktionsschicht (11) die erste weitere Funktionsschicht (10) bogenförmig umgibt.
Gassensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite weitere Funktionsschicht (11) in einem größeren Abstand von dem Zentrum der Heizzone, welche die beiden weiteren Funktionsschichten (10, 11) beheizt, als die erste weitere Funktionsschicht angeordnet (10) ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite weitere Funktionsschicht (11) am Rand der Heizzone angeordnet ist, welche die erste weitere Funktionsschicht (10) beheizt.
Verwendung eines Gassensors nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Messung der Sauerstoffkonzentration eines Gases, wobei mit der ersten sauerstoffsensitiven Funktionsschicht (3) die Sauerstoffkonzentration bei einer ersten Messtemperatur und mit der zweiten sauerstoffsensitiven Funktionsschicht (6) die Sauerstoffkonzentration bei einer zweiten Messtemperatur gemessen wird, die mindestens 30 K, vorzugsweise mindestens 50 K, höher als die erste Temperatur ist.
Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messtemperatur 50 K bis 100 K höher als die erste Temperatur ist.
Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffoxidkonzentration mit einer ersten und einer zweiten stickstoffoxidsensitiven Funktionsschicht (10, 11) bei zwei verschiedenen Temperaturen gemessen wird, die sich um mindestens 20 K unterscheiden.