DE102011084653A1 - Sprungsonde für den gepumpten und ungepumten Betrieb - Google Patents

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Gerhard Schneider
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Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases (112) in einem Messgasraum (114), insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas (116) einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung (110) umfasst mindestens ein Sensorelement (118). Das Sensorelement (118) umfasst mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine erste Referenzelektrode (122) und mindestens eine zweite Referenzelektrode (124). Die zweite Referenzelektrode (124) ist mit mindestens einem Referenzgaskanal (126) verbunden. Die erste Elektrode (120) ist mit der ersten Referenzelektrode (122) und der zweiten Referenzelektrode (124) jeweils über mindestens einen Festelektrolyten (128) verbunden. Das Sensorelement (118) weist zwischen der ersten Referenzelektrode (122) und dem Referenzgaskanal (126) mindestens ein Diffusionselement (130) auf.

Description

  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum bekannt, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165, beschrieben. Bei den Sensorvorrichtungen kann es sich insbesondere um Lambdasonden handeln. Lambdasonden auf Basis eines ionisch leitfähigen Sensorelements, typischerweise aus Zirkoniumdioxid (ZrO2), vergleichen in der Regel ein Galvanipotenzial einer messgasseitigen Elektrode mit einem Galvanipotenzial einer Referenzelektrode. Die Referenzelektrode befindet sich bevorzugt in einem definierten Referenzgas, typischerweise Luft. Bei einer zu der Erfassung aufgenommenen Messgröße kann es sich üblicherweise um eine sich einstellende Nernstspannung zwischen den beiden Elektroden handeln, wobei die Nernstspannung in der Regel umso größer ist, je größer insbesondere ein Partialdruckunterschied, beispielsweise von Sauerstoff (O2), zwischen den beiden Elektroden ist.
  • Aus DE 100 43 089 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Konzentrationen von Gasbestandteilen in Gasgemischen bekannt, wobei der Sensor eine Referenzelektrode aufweist, die über einen Referenzgaskanal mit einem Referenzgas, insbesondere Luft oder einem sauerstoffhaltigen Gas, beaufschlagbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist neben dem Referenzgaskanal von einem Innenvolumen des Sondenaufbaus zu der Referenzelektrode ein weiterer Gaskanal vorgesehen, insbesondere mit einem katalytisch aktiven Bereich oder einer katalytisch aktiven Fläche. Der weitere Gaskanal kann beispielsweise als doppelter Referenzkanal ausgeführt sein, welcher beispielsweise eine Kohlenwasserstoff(HC)-Umsetzung übernehmen kann.
  • Eine Signalgenauigkeit kann beispielsweise durch einen offenen Referenzkanal, insbesondere mit geringem Querschnitt, erhöht werden, wie beispielsweise in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 039 392 aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung offenbart ist.
  • In DE 100 51 833 A1 wird ein planares Gassensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten vorgeschlagen, wobei insbesondere Elektroden auf verschiedenem Temperaturniveau und referenzseitig verschoben sein können. Die Referenzelektrode ist in Form mehrerer, elektrisch leitend miteinander verbundener Teilflächen ausgebildet. Die insbesondere großflächige Referenzelektrode ist durch Aufteilung in mehrere Teilflächen nicht überall gleichmäßig erwärmt, so dass stets heiße und kalte Stellen über der Oberfläche der Referenzelektrode vorliegen, was den Einfluss einer Abgastemperatur, der Abgasströmung und der Heizleistung des Heizelements auf eine auftretende Nernstspannung deutlich reduziert. Vorteilhaft sei hiernach, wenn eine Aufteilung der Referenzelektrode in mehrere, elektrisch leitend miteinander verbundene Teilflächen derart erfolgt, dass diejenigen Teilflächen der Referenzelektrode, die sich zumindest weitgehend in einem heißen Bereich befinden, einen zumindest näherungsweise gleichen Innenwiderstand aufweisen wie diejenigen Teilflächen, die sich zumindest weitgehend außerhalb des heißen Bereiches befinden.
  • Bei bekannten Sensorvorrichtungen, insbesondere bei Lambdasonden, können, insbesondere in dem Referenzgaskanal, unverbrannte Kohlenwasserstoffe vorhanden sein, durch welche ein Teil des der Referenzelektrode zugeführten Sauerstoffes üblicherweise verbraucht wird, so dass die Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode herabgesetzt sein kann und damit eine Sondenfunktion gestört sein kann. Dieses Verhalten ist auch als CSD (characteristic shift down, auch als continuous shift down oder chemical shift down bezeichnet) bekannt. Weiterhin können unverbrannte Kohlenwasserstoffe vorzugsweise an heißen, katalytisch aktiven Flächen, insbesondere an der Referenzelektrode, oxidiert werden.
  • Zur Vermeidung einer Referenzluftvergiftung mit Fettgasen, insbesondere CSD, werden im Stand der Technik im Wesentlichen zwei Konzepte verfolgt:
    Zum einen kann bei einem Referenzluftkanal eine künstliche Referenz durch einen Referenzpumpstrom erzeugt werden, wie beispielsweise in DE 199 63 566 A1 und DE 43 33 230 A1 beschrieben. Bevorzugt kann die Referenzelektrode der künstlichen Referenz ausgesetzt sein, welche beispielsweise durch einen Referenzpumpstrom von einer äußeren Elektrode zu der Referenzelektrode erzeugt werden kann. Der Referenzpumpstrom kann beispielsweise durch eine geeignete Beschaltung der Sensorvorrichtung, insbesondere einer Sonde, in einem Steuergerät realisiert werden. Das Sondendesign sollte für diesen Betrieb in der Regel einen dichten Referenzkanal, beispielsweise einen Referenzluftkanal mit einem großen Diffusionswiderstand, beispielsweise schmal und/oder mit niedriger Porosität, aufweisen, beispielsweise damit sich Sauerstoff, welcher insbesondere durch den Referenzpumpstrom an die Referenzelektrode gepumpt werden kann, an der Referenzelektrode hält und/oder damit möglichst wenig Fettgas zur Referenzelektrode gelangen kann, wobei ein Referenzgaskanal bevorzugt mit einem eher großporigen Material ausgestaltet sein sollte, um vorzugsweise eine Sprengung des Sensorelements, beispielsweise durch einen Sauerstoffüberdruck an der Referenzelektrode, zu verhindern. Diese Realisierung nennt man auch in der Regel eine „gepumpte Referenz“.
  • In einer weiteren Realisierung wird in der Regel ein offener und/oder sehr poröser Referenzluftkanal verwendet, wobei man solch eine Realisierung im Allgemeinen als „Luftreferenz“ bezeichnet, bevorzugt wird die Referenzelektrode direkt einer Umgebungsluft ausgesetzt. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die Kohlenwasserstoffe durch Sauerstoff abreagiert werden können, welcher beispielsweise durch den offenen und/oder sehr porösen Referenzluftkanal an die Referenzelektrode gelangen kann. Bevorzugt wird kein Referenzpumpstrom von der äußeren Elektrode zu der Referenzelektrode aufgeprägt. Der Referenzluftkanal besitzt bevorzugt einen niedrigen Diffusionswiderstand, beispielsweise aufgrund eines breiten Referenzluftkanals, bevorzugt mit hoher Porosität.
  • Nachteilig ist insbesondere, dass je nach Betriebsart, insbesondere bei gepumpter Referenz oder Luftreferenz, üblicherweise zwei unterschiedliche Sondendesigns und/oder Sondentypen nötig sind.
  • Wünschenswert wäre daher eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine Lambdasonde, beispielsweise eine λ = 1-Sonde, welche wahlweise mit gepumpter Referenz oder mit offener Referenz, insbesondere mit Luftreferenz, betrieben werden kann. Hierdurch kann beispielsweise auch eine Anzahl der mit der Sensorvorrichtung, insbesondere der Sonde, kompatiblen Steuergeräte signifikant steigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es werden daher eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum und ein Verfahren zum Betrieb der Sensorvorrichtung vorgeschlagen, welche die zu erwartenden Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und/oder mildern.
  • Bei der Gaskomponente kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas handeln, bevorzugt kann es sich bei der Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Bei dem Anteil kann es sich beispielsweise um einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck handeln, insbesondere um einen Sauerstoffprozentsatz und/oder einen Sauerstoffpartialdruck. Bei dem Gas kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas handeln, insbesondere kann es sich bei dem Gas um ein Abgas, beispielsweise mit Verbrennungsrückständen, einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Bei dem Messgasraum kann es sich prinzipiell um einen beliebigen Raum, welcher mit Gas gefüllt sein kann, handeln. Bevorzugt kann es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Bei der Sensorvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Sensorvorrichtung zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, handeln. Bei der Verbrennungsmaschine und/oder der Verbrennungskraftmaschine kann es sich prinzipiell um eine beliebige Maschine handeln, welche durch Verbrennungsreaktionen betrieben werden kann, insbesondere kann es sich um ein Kraftfahrzeug, bevorzugt um ein Automobil, handeln.
  • Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement. Bei einem Sensorelement kann es sich insbesondere um eine Komponente einer Sensorvorrichtung handeln, welche eingerichtet sein kann, um durch elektrochemische Prozesse, insbesondere beispielsweise in Verbindung mit einem Gesamtdruck, auf den Anteil der Gaskomponente zu schließen. Bei dem Sensorelement kann es sich bevorzugt um eine Lambdasonde handeln.
  • Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine erste Referenzelektrode und mindestens eine zweite Referenzelektrode. Bei der ersten Elektrode und/oder der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode kann es sich insbesondere um jeweils eine Elektrode handeln. Bei einer Elektrode kann es sich um ein Bauteil handeln, welches mit einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Strom beaufschlagt werden kann. Bei der ersten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine äußere Pumpelektrode handeln. Die erste Referenzelektrode und/oder die zweite Referenzelektrode sind bevorzugt Referenzelektroden. Bei einer Referenzelektrode kann es sich insbesondere um eine Elektrode handeln, welche mit einem Referenzgas, beispielsweise Luft, verbunden ist, bevorzugt kann es sich bei der Referenzelektrode um eine Elektrode handeln, mit welcher ein Galvanipotenzial des Referenzgases, beispielsweise Luft, gemessen werden kann.
  • Die zweite Referenzelektrode und optional auch die erste Referenzelektrode sind mit mindestens einem Referenzgaskanal, beispielsweise einem Referenzkanal und/oder einem Referenzluftkanal, verbunden. Bei dem Referenzgaskanal kann es sich beispielsweise um einen Referenzgasraum handeln. Bei einem Referenzgaskanal und/oder einem Referenzgasraum kann es sich prinzipiell um einen Raum handeln, welcher von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein kann und/oder vorzugsweise gasdicht gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt sein kann. Dementsprechend kann, vorzugsweise zumindest über für eine Messung relevante Zeiträume, beispielsweise von mehreren Sekunden, insbesondere von mehreren Minuten, Gas aus dem Messgasraum nicht unmittelbar zu dem Referenzgaskanal gelangen. Die erste Referenzelektrode kann mit dem gleichen Referenzgaskanal wie die zweite Referenzelektrode verbunden sein, kann jedoch auch mit einem anderen Referenzgaskanal, beispielsweise mindestens einem zweiten Referenzgaskanal, verbunden sein. Unter einer Verbindung zwischen dem Referenzgaskanal und der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode kann beispielsweise eine direkte Verbindung und/oder indirekte Verbindung, beispielsweise über eine Diffusionsschicht, verstanden werden. Über die Verbindung kann ein Austausch der Gaskomponente und/oder von Sauerstoff möglich sein. Die erste Referenzelektrode kann von der zweiten Referenzelektrode und optional auch von dem Referenzgaskanal auch in der Form getrennt sein, dass bevorzugt kein Gasaustausch möglich ist.
  • Die Ausdrücke "erste" und/oder "zweite" dienen als reine Bezeichnungen und geben keinen Hinweis auf eine Reihenfolge und/oder darüber, ob nicht noch weitere Referenzelektroden und/oder Referenzgaskanäle und/oder Elektroden von der Sensorvorrichtung umfasst werden können. Beispielsweise können eine dritte Referenzelektrode und/oder weitere Elektroden, beispielsweise eine zweite Elektrode, insbesondere eine innere Pumpelektrode, von der Sensorvorrichtung umfasst werden.
  • Die erste Elektrode ist mit der ersten Referenzelektrode und der zweiten Referenzelektrode jeweils über mindestens einen Festelektrolyten verbunden. Beispielsweise kann die erste Elektrode über einen ersten Festelektrolyten mit der ersten Referenzelektrode verbunden sein und/oder die erste Elektrode über einen zweiten Festelektrolyten mit der zweiten Referenzelektrode verbunden sein. Der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt können verschieden ausgestaltet sein und/oder können verschiedene Festelektrolyte sein. Alternativ können der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt jedoch auch ganz oder teilweise bauteilidentisch sein. Bei dem Festelektrolyten kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, bevorzugt zumindest ab einer Arbeitstemperatur ionenleitenden, Festkörper handeln. Beispielsweise kann es sich um einen sauerstoffionenleitenden Festkörper handeln. Derartige Festkörper, insbesondere keramische Festkörper, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise können Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder andere, beispielsweise auf Zirkoniumdioxid basierende, Festelektrolyte verwendet werden, beispielsweise Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Der Festelektrolyt kann beispielsweise eine oder mehrere Festelektrolytfolien und/oder Festelektrolytpasten umfassen, welche bevorzugt ausgehärtet sein können.
  • Das Sensorelement weist weiterhin mindestens ein Diffusionselement auf, welches mit der ersten Elektrode verbunden ist. Unter einem Diffusionselement kann allgemein ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um Gas aufzunehmen und einen Diffusionstransport von Gas zu ermöglichen. Insbesondere kann das Diffusionselement mindestens ein poröses Material aufweisen, beispielsweise mindestens eine poröse Schicht. Das Diffusionselement kann getrennt von der ersten Referenzelektrode ausgebildet sein, beispielsweise als separates Element. Alternativ oder zusätzlich kann das Diffusionselement jedoch auch ganz oder teilweise in die erste Referenzelektrode integriert werden, beispielsweise indem die erste Referenzelektrode ganz oder teilweise als poröse Elektrode ausgestaltet ist, welche mindestens ein poröses Elektrodenmaterial aufweist, das auch als Diffusionselement und vorzugsweise als Gasspeicher wirken kann. Das Diffusionselement kann allgemein insbesondere als Gasspeicher eingerichtet sein. Die Verbindung zwischen dem Diffusionselement und der ersten Referenzelektrode kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein direkter Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Diffusionselement möglich ist. Insbesondere kann das Diffusionselement unmittelbar an die erste Referenzelektrode angrenzen, beispielsweise als poröse Schicht, welche unmittelbar an der ersten Referenzelektrode anliegt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
  • Das mindestens eine Diffusionselement kann in einer möglichen Ausgestaltung beispielsweise ganz oder teilweise zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal ausgebildet sein. Dabei kann ein Gasaustausch zwischen dem Diffusionselement und dem Referenzgaskanal ermöglicht sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Diffusionselement auch ganz oder teilweise gegenüber dem Referenzgaskanal abgedichtet sein, beispielsweise durch eine gasdichte Abdeckung, so dass ein Gasaustausch zwischen dem Diffusionselement und dem Referenzgaskanal verhindert wird oder zumindest erschwert wird.
  • Bei dem Diffusionselement kann es sich beispielsweise um ein Element, insbesondere eine Folie und/oder eine Paste, handeln, welches Diffusionseigenschaften, beispielsweise eine Eigenschaft zur Diffusion von Sauerstoff, aufweisen kann. Bei dem Diffusionselement kann es sich bevorzugt um mindestens eine Diffusionsschicht handeln. Die Diffusionsschicht kann aber auch ganz, zumindest teilweise, getrennt von dem Diffusionselement ausgestaltet sein, beispielsweise können das Diffusionselement und die Diffusionsschicht zumindest teilweise überlappen. Unter dem Ausdruck „zwischen“ kann hierbei insbesondere eine Anordnung des Diffusionselements zu der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal verstanden werden, wobei das Diffusionselement zumindest teilweise die erste Referenzelektrode bedeckt, wobei das Diffusionselement insbesondere zumindest einen Teil einer Oberfläche der ersten Referenzelektrode, welche zu dem Referenzgaskanal hinweist, bedeckt.
  • Wie oben ausgeführt, kann insbesondere auch die erste Referenzelektrode mit dem Referenzgaskanal verbunden sein. Insbesondere kann durch das Diffusionselement ein Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal ermöglicht sein. Das Diffusionselement kann in einer möglichen Ausgestaltung, wie oben bereits ausgeführt, insbesondere zumindest teilweise zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal angeordnet sein. Durch das Diffusionselement kann insbesondere ein Gasaustausch, beispielsweise ein Austausch von Gasen, beispielsweise von Luft und/oder Sauerstoff und/oder von Kohlenwasserstoffen, zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal möglich sein, insbesondere zumindest teilweise durch das Diffusionselement. Vorzugsweise ist der Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal ausschließlich durch die Diffusionsschicht möglich. Unter einem Gasaustausch kann ein Austausch von Gas, insbesondere in beide Richtungen, beispielsweise von der ersten Referenzelektrode zu dem Referenzgaskanal und von dem Referenzgaskanal zu der ersten Referenzelektrode, verstanden werden. Bei dem Gasaustausch kann es sich bevorzugt um eine Diffusion, insbesondere um eine Sauerstoffdiffusion, handeln. Die Diffusionsschicht kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Diffusion von Fettgas von dem Referenzgaskanal zu der Referenzelektrode zu verhindern und/oder eine Diffusion von Sauerstoff zwischen der Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal zu fördern, beispielsweise von der Referenzelektrode zu dem Referenzgaskanal. Die Diffusionsschicht kann bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass sich kein zu hoher Sauerstoffüberdruck bildet, insbesondere, dass kein Überdruck entstehen kann, welcher zu einer Sprengung des Sensorelements, insbesondere der Lambdasonde, führen kann.
  • Prinzipiell können die erste Referenzelektrode und/oder das Diffusionselement jedoch auch ganz oder teilweise gegenüber dem Referenzgaskanal abgedichtet sein, so dass kein direkter Gasaustausch ermöglicht ist. Insbesondere kann die erste Referenzelektrode gegenüber dem Referenzgaskanal abgedichtet sein, wobei ein direkter Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal verhindert wird. Über einen Ionentransport zur zweiten Referenzelektrode, beispielsweise einen Transport von Sauerstoffionen, kann jedoch nach wie vor ein indirekter Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode und dem Referenzgaskanal ermöglicht sein, also ein Gasaustausch, der eine zwischenzeitliche Umwandlung in Ionen beinhaltet.
  • Beispielsweise kann das Sensorelement zwischen der ersten Referenzelektrode und optional dem Diffusionselement einerseits und dem Referenzgaskanal andererseits mindestens eine gasdichte Abdeckung aufweisen, beispielsweise durch mindesten ein gasdichtes Abdeckelement. Die Abdeckung kann beispielsweise eine nicht-poröse Schicht aufweisen, durch welche ein Gasaustausch verhindert wird. Ein Überdruck, insbesondere ein Sauerstoffüberdruck, an der ersten Referenzelektrode kann optional durch eine Ionenleitung, insbesondere eine Sauerstoffionenleitung, zur zweiten Referenzelektrode, beispielsweise mit anschließender Oxidation, abgebaut werden. Bei dieser Ionenleitung kann es sich beispielsweise um einen Ausgleichsstrom handeln. Der Ausgleichsstrom kann üblicherweise durch die Differenz der Partialdrücke, beispielsweise der Sauerstoffpartialdrücke, an der ersten Referenzelektrode und der zweiten Referenzelektrode und durch den Innenwiderstand zwischen beiden Referenzelektroden, insbesondere dem Innenwiderstand zwischen der ersten Referenzelektrode und der zweiten Referenzelektrode, bestimmt sein.
  • Das Sensorelement kann zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode einen ersten Innenwiderstand aufweisen. Bei dem Innenwiderstand kann es sich insbesondere um einen Innenwiderstand für eine ionische Leitung, beispielsweise durch den Festelektrolyten, handeln, insbesondere bei einer typischen Betriebstemperatur, beispielsweise in einem Bereich zwischen 500 °C und 1100 °C. Beispielsweise kann es sich bei dem Innenwiderstand um einen Ohmschen Widerstand für eine ionische Leitung handeln.
  • Das Sensorelement kann zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Referenzelektrode einen zweiten Innenwiderstand aufweisen. Der erste Innenwiderstand ist bevorzugt kleiner als der zweite Innenwiderstand. Der erste Innenwiderstand kann beispielsweise um einen Faktor 0,5, bevorzugt einen Faktor 0,1, insbesondere um einen Faktor 0,01 kleiner sein als der zweite Innenwiderstand.
  • Eine elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode kann bevorzugt höher sein als eine elektrochemische Leistungsfähigkeit der zweiten Referenzelektrode. Unter der elektrochemischen Leistungsfähigkeit einer Elektrode kann die Fähigkeit zur Sauerstoffreduktion und/oder -oxidation verstanden werden. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit korreliert üblicherweise mit dem inversen Innenwiderstand der Elektrode.
  • Die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode können bevorzugt elektrisch kurzgeschlossen sein. Die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode können insbesondere eine gemeinsame Zuleitung, insbesondere eine gemeinsame Spannungszuleitung, aufweisen. Beispielsweise kann die erste Referenzelektrode auch mit der zweiten Referenzelektrode verbunden sein, beispielsweise über einen elektrischen Leiter. Unter "kurzgeschlossen" kann insbesondere ein Ohmscher Widerstand von weniger als 10 Ω, beispielsweise von weniger als 1 Ω, bevorzugt von weniger als 0,1 Ω, verstanden werden. Unter kurzgeschlossen kann insbesondere verstanden werden, dass die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode ein identisches elektrisches Potenzial zu einem beliebigen Potenzialbezugspunkt aufweisen können.
  • Die erste Referenzelektrode kann durch mindestens einen ersten Bereich einer in dem Referenzgaskanal angeordneten Elektrode gebildet werden. Bei einem Bereich einer Elektrode kann es sich insbesondere um einen Anteil der Elektrode handeln. Bei der in dem Referenzgaskanal angeordneten Elektrode kann es sich insbesondere um eine Elektrode handeln, welche zumindest teilweise mit dem Referenzgaskanal verbunden ist. Die zweite Referenzelektrode kann durch mindestens einen zweiten Bereich der in dem Referenzgaskanal angeordneten Elektrode gebildet werden. Die Ausdrücke „erste“ und „zweite“ dienen als reine Bezeichnungen und geben keinen Hinweis auf eine Reihenfolge und ob die Elektrode noch weitere Bereiche aufweist. Prinzipiell kann die in dem Referenzgaskanal angeordnete Elektrode beispielsweise auch noch weitere Bereiche, beispielsweise mindestens einen dritten Bereich, aufweisen, welche beispielsweise der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode und/oder einer weiteren Referenzelektrode zugeordnet werden können oder nicht zugeordnet werden können.
  • Der erste Bereich und der zweite Bereich können bevorzugt verschieden sein. Der erste Bereich kann bevorzugt durch mindestens eine Diffusionsschicht hin zu dem Referenzgaskanal abgedeckt sein. Die Diffusionsschicht kann zumindest einen Teil des Diffusionselements bilden. Unter einer Diffusionsschicht kann eine Schicht und/oder eine Folie verstanden werden, welche Diffusionseigenschaften aufweisen kann. Beispielsweise kann die Diffusionsschicht eine Diffusion von Sauerstoff von dem ersten Bereich zu dem Referenzgaskanal und/oder zu dem Diffusionselement fördern und/oder kann eine Diffusion von Kohlenwasserstoffen und/oder von Fettgas von dem Referenzgaskanal zu dem ersten Bereich unterdrücken.
  • Wie oben ausgeführt, können die erste Referenzelektrode und optional auch das Diffusionselement einerseits und der Referenzgaskanal andererseits auch gasdicht gegeneinander abgeschirmt sein, beispielsweise durch mindestens eine gasdichte Abdeckung, welche zwischen der ersten Referenzelektrode und optional dem Diffusionselement einerseits und dem Referenzgaskanal andererseits angeordnet sein kann. Auf diese Weise oder auf andere Weise kann beispielsweise ein Gasaustausch zu der ersten Referenzelektrode unterdrückt sein.
  • Der Referenzgaskanal kann bevorzugt offen ausgestaltet sein. Ein Referenzgaskanal kann beispielsweise offen ausgestaltet sein, wenn er vorzugsweise mit Luft, insbesondere ausschließlich mit Luft, gefüllt ist. Der Referenzgaskanal kann jedoch auch vollständig, vorzugsweise teilweise, mit einem porösen Medium gefüllt sein, welches einen Gasdurchtritt und/oder eine Gasdiffusion ermöglicht.
  • Beispielsweise kann die erste Referenzelektrode mit der zweiten Referenzelektrode kurzgeschlossen werden, indem der Referenzgaskanal zumindest teilweise mit einem gasdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial vollständig, bevorzugt teilweise, ausgefüllt sein kann. Der Referenzgaskanal kann dabei als geschlossener Referenzgasraum ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Referenzgaskanal, beispielsweise als Referenzluftkanal, mit einer Umgebung des Sensorelements, beispielsweise einer Umgebung des Motorraums und/oder der Umgebungsluft, verbunden ist, so dass ein Luftaustausch zwischen dieser Umgebung und dem Referenzgasraum möglich sein kann.
  • Die Sensorvorrichtung kann mindestens eine Ansteuerung umfassen. Die Ansteuerung kann zentral oder auch dezentral ausgestaltet sein und kann beispielsweise ganz oder teilweise in einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs aufgenommen sein. Die Ansteuerung kann aber auch vollständig oder teilweise in das Sensorelement integriert sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise auch über eine Schnittstelle mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Ansteuerung kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker. Die Ansteuerung kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden, insbesondere die erste Elektrode und/oder die erste Referenzelektrode und/oder die zweite Referenzelektrode und/oder die in dem Referenzgaskanal angeordnete Elektrode und/oder mindestens eine andere Elektrode, mit elektrischem Strom und/oder mit elektrischer Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder um eine Stromquelle handeln. Weiterhin kann die Ansteuerung gegebenenfalls eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung. Die Spannungsmessvorrichtung kann insbesondere ausgestaltet sein, um eine Nernstspannung und/oder eine Pumpspannung und/oder mindestens eine andere Spannung zu messen. Die Strommessvorrichtung kann insbesondere ausgestaltet sein, um einen Pumpstrom und/oder mindestens einen anderen elektrischen Strom zu messen. Weiterhin kann die Ansteuerung optional beispielsweise eine Auswertevorrichtung, beispielsweise eine Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen. Weiterhin optional kann die Ansteuerung mindestens einen Signalgenerator umfassen. Die Ansteuerung kann überdies optional mindestens einen Regler, beispielsweise mindestens einen Lock-in-Regler, umfassen.
  • Die Ansteuerung kann bevorzugt eingerichtet sein, um in einem ersten Betriebsmodus das Sensorelement mit mindestens einer Pumpspannung und/oder mindestens einem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode zu beaufschlagen. Bei dem ersten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Betriebsmodus mit gepumpter Referenz handeln. Die Ansteuerung kann weiterhin eingerichtet sein, um in einem zweiten Betriebsmodus das Sensorelement ohne Pumpspannung und/oder ohne Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode zu betreiben. Bei dem zweiten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Betriebsmodus mit Luftreferenz handeln. Die Ausdrücke „erster“ und „zweiter“ werden hier als reine Bezeichnungen verwendet und geben keine Auskünfte über eine Reihenfolge und Informationen darüber, ob noch mehrere Betriebsmodi von der Ansteuerung beaufschlagt werden können. Prinzipiell können beispielsweise noch weitere Betriebsmodi vorhanden sein. Der erste Betriebsmodus und/oder zweite Betriebsmodus können prinzipiell in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, insbesondere in einer definierten Reihenfolge, beispielsweise einer in der Ansteuerung programmierten Reihenfolge. Der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus können insbesondere abwechselnd durchgeführt verwendet werden. Die Ansteuerung kann weiterhin eingerichtet sein, um in dem ersten Betriebsmodus und/oder in dem zweiten Betriebsmodus durch Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode und/oder zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Referenzelektrode und/oder zwischen mindestens einer elektrischen Zuleitung der ersten Elektrode und mindestens einer elektrischen Zuleitung der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode auf den Anteil der Gaskomponente, insbesondere einen Sauerstoffpartialdruck, zu schließen, beispielsweise durch Benutzung einer Kennlinie. Bei der Kennlinie kann es sich insbesondere um einen Zusammenhang, insbesondere einen linearen Zusammenhang, zwischen dem Pumpstrom zwischen der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode und der ersten Elektrode, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und dem Anteil der Gaskomponente, insbesondere bei bekanntem Gesamtdruck, und/oder dem Sauerstoffpartialdruck handeln.
  • Eine Geometrie der ersten Referenzelektrode kann sich beispielsweise von einer Geometrie der zweiten Referenzelektrode unterscheiden. Unter der Geometrie der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode kann beispielsweise eine äußere Form und/oder eine Topographie der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode verstanden werden. Beispielsweise können die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode unterschiedlich groß ausgestaltet sein, beispielsweise mit unterschiedlichen Volumina und/oder unterschiedlich großen Oberflächen.
  • Die zweite Referenzelektrode kann beispielsweise ringförmig ausgestaltet sein. Bei der ringförmigen Gestalt kann es sich um einen Ring handeln, insbesondere um eine kreisförmige Gestalt mit einer inneren Öffnung, welche vorzugsweise ebenfalls eine kreisförmige Gestalt aufweist, prinzipiell kann es sich bei dem Ring um einen vollständig geschlossenen Ring oder um einen zumindest teilweise geöffneten, beispielsweise mehrfach geöffneten, Ring handeln. Die ringförmige Ausgestaltung muss nicht notwendigerweise kreisförmig sein, beispielsweise kann der Ring auch in Form eines Polygons und/oder eines Rechtecks und/oder einer nicht kreisförmigen runden Form, beispielsweise einer Ellipse, jeweils mit oder ohne mindestens einem Loch und/oder mindestens einer Aussparung ausgestaltet sein, welche beispielsweise ebenfalls ringförmig und/oder polygonförmig und/oder rechteckförmig und/oder nicht-kreisförmig rund und/oder ellipsenförmig ausgestaltet sein können. Die erste Referenzelektrode kann hierbei beispielsweise insbesondere ringförmig und/oder polygonförmig und/oder rechteckförmig und/oder nicht-kreisrundförmig und/oder ellipsenförmig, bevorzugt ohne Loch und/oder ohne Aussparung, ausgestaltet sein. Andere Ausgestaltungen der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode sind prinzipiell möglich.
  • Die zweite Referenzelektrode kann die erste Referenzelektrode bevorzugt ringförmig umschließen. Beispielsweise können die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode sich überlappen, wobei die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode in unterschiedlichen Schichten angeordnet sein können, welche beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein können. Das Sensorelement kann insbesondere in einem Schichtaufbau hergestellt sein. Unter Umschließen kann hierbei ein Umschließen der zweiten Referenzelektrode bezüglich der ersten Referenzelektrode verstanden werden, insbesondere ein Umschließen der ersten Referenzelektrode durch eine Projektion der zweiten Referenzelektrode auf eine Ebene und/oder Schicht der ersten. Die zweite Referenzelektrode kann die erste Referenzelektrode vollständig und/oder zumindest teilweise umschließen.
  • Eine mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode kann bevorzugt höher sein als eine mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode. Die mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode und/oder die mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode können insbesondere durch mindestens ein Heizelement eingestellt und/oder eingeregelt werden. Das Heizelement kann insbesondere von dem Sensorelement umfasst werden. Das Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um die mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode und/oder die mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode einzustellen und/oder einzuregeln und/oder zu modellieren. Beispielsweise kann die mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode und/oder die mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode, insbesondere schrittweise, erhöht und/oder erniedrigt werden. Das Heizelement kann beispielsweise näher an der ersten Referenzelektrode als an der zweiten Referenzelektrode positioniert sein, insbesondere um den Temperaturunterschied zu erzielen. Die erste Referenzelektrode kann bevorzugt mindestens teilweise in mindestens einem Hot-Spot angeordnet sein. Bei einem Hot-Spot kann es sich bevorzugt um einen Teil des Sensorelements handeln, welcher eine höhere Temperatur und/oder eine höhere mittlere Temperatur als der Rest des Sensorelements aufweist. Die zweite Referenzelektrode kann bevorzugt außerhalb des Hot-Spots angeordnet sein. Der Hot-Spot kann insbesondere durch das Heizelement erwärmt werden. Bevorzugt befindet sich der Hot-Spot in einem Bereich, welcher die erste Elektrode und/oder die erste Referenzelektrode und/oder mindestens einen Teil des Festelektrolyten umfasst, insbesondere einen Bereich des Festelektrolyten zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode. Die zweite Referenzelektrode und/oder ein Bereich des Festelektrolyten zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Referenzelektrode befinden sich bevorzugt außerhalb des Hot-Spots. Beispielsweise können das Sensorelement und/oder die Sensorvorrichtung auch mehrere Heizelemente umfassen, beispielsweise ein Heizelement für jede Referenzelektrode, insbesondere für die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode. Beispielsweise kann das Heizelement der ersten Referenzelektrode mit einer anderen Spannung beaufschlagt werden als das Heizelement der zweiten Referenzelektrode. Die mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode kann insbesondere derart gegenüber der mittleren Temperatur der zweiten Referenzelektrode erhöht werden, dass hierdurch der Innenwiderstand und/oder die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode beeinflusst werden können. Die mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode kann beispielsweise mindestens 10°C höher sein als die mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode, bevorzugt mindestens 50°C höher und besonders bevorzugt mindestens 100°C höher. Bei der mittleren Temperatur kann es sich insbesondere um eine über das gesamte Volumen der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode integrierte Temperatur gewichtet mit dem Volumen der ersten Referenzelektrode und/oder dem Volumen der zweiten Referenzelektrode handeln.
  • Eine Materialzusammensetzung der ersten Referenzelektrode kann sich beispielsweise von einer Materialzusammensetzung der zweiten Referenzelektrode unterscheiden. Unter einer Materialzusammensetzung kann prinzipiell eine Zusammensetzung der Materialien, insbesondere der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode, verstanden werden, beispielsweise eine Pastenzusammensetzung und/oder eine Festelektrolytzusammensetzung und/oder eine Bulk-Zusammensetzung, beispielsweise der die erste Referenzelektrode und/oder die zweite Referenzelektrode umgebenden Bauteile. Die Materialzusammensetzung der ersten Referenzelektrode kann sich bevorzugt derart von der Materialzusammensetzung der zweiten Referenzelektrode unterscheiden, dass hierdurch die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode gegenüber der zweiten Referenzelektrode bevorzugt höher ist und/oder der erste Innenwiderstand gegenüber dem zweiten Innenwiderstand bevorzugt niedriger ist.
  • Ein minimaler Abstand zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode kann beispielsweise kleiner sein als ein minimaler Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Referenzelektrode. Bei dem minimalen Abstand kann es sich bevorzugt um die Länge eines Pfads zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode oder der zweiten Referenzelektrode handeln, wobei der Pfad bevorzugt jeweils derart verläuft, dass der Innenwiderstand entlang dieses Pfades zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode oder der zweiten Referenzelektrode minimal ist. Insbesondere kann es sich bei dem minimalen Abstand beispielsweise um den Abstand handeln, welche das Gas und/oder die Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoffionen, in der kürzesten Zeit zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode oder der zweiten Referenzelektrode zurücklegen können. Bevorzugt kann der mittlere Abstand zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode derart kürzer sein, dass hierdurch die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode gegenüber der zweiten Referenzelektrode bevorzugt höher ist und/oder der erste Innenwiderstand gegenüber dem zweiten Innenwiderstand bevorzugt niedriger ist.
  • Die zweite Referenzelektrode kann beispielsweise eine schlechtere Anbindung an den Festelektrolyten aufweisen als die erste Referenzelektrode. Bei der schlechteren Anbindung kann es sich insbesondere um eine schlechte mechanische Anbindung und/oder chemische Anbindung und/oder elektrische Anbindung und/oder elektrochemische Anbindung handeln. Bevorzugt kann die Anbindung der zweiten Referenzelektrode an den Festelektrolyten derart schlechter sein als die Anbindung der ersten Referenzelektrode an den Festelektrolyten, dass hierdurch die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode gegenüber der zweiten Referenzelektrode bevorzugt höher ist und/oder der erste Innenwiderstand gegenüber dem zweiten Innenwiderstand bevorzugt niedriger ist.
  • Die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode können mindestens eine gemeinsame Schicht aufweisen. Beispielsweise können die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode aus einer Schicht bestehen. Die Porosität dieser Schicht und somit die Gasdiffusion in dieser Schicht sollte bevorzugt gering sein.
  • Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann es sich bevorzugt um eine Sprungsonde, beispielsweise eine planare Sprungsonde, handeln, insbesondere um eine Sprungsonde für den gepumpten und ungepumpten Betrieb. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere mindestens einen λ = 1-Sensor umfassen, insbesondere mindestens einen λ = 1-Sensor, welcher wahlweise mit gepumpter Referenz oder mit Luftreferenz betrieben werden kann.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung beschrieben, insbesondere einer Sensorvorrichtung, wie oben beschrieben. In einem ersten Betriebsmodus, beispielsweise einem Betriebsmodus wie oben beschrieben, insbesondere in dem Betriebsmodus mit gepumpter Referenz, kann das Sensorelement mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode beaufschlagt werden, wobei in dem zweiten Betriebsmodus, insbesondere in dem Betriebsmodus mit Luftreferenz, das Sensorelement ohne Spannung und ohne Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode betrieben wird. In dem ersten Betriebsmodus und/oder in dem zweiten Betriebsmodus wird durch Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode und/oder zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Referenzelektrode und/oder zwischen mindestens einer elektrischen Zuleitung der ersten Elektrode und mindestens einer elektrischen Zuleitung der ersten Referenzelektrode und/oder der zweiten Referenzelektrode auf den Anteil der Gaskomponente geschlossen, insbesondere falls der Gesamtdruck bekannt ist, und beispielsweise auch auf den Sauerstoffanteil, geschlossen.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen und Verfahren aufweisen. Beispielsweise können die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das erfindungsgemäße Design, den Vorteil bieten, dass das Sensorelement, insbesondere die Sonde, sowohl mit gepumpter Referenz, beispielsweise in dem ersten Betriebsmodus, als auch mit einer Luftreferenz, beispielsweise in dem zweiten Betriebsmodus, betrieben werden können. Hierdurch kann das Sensorelement, insbesondere die Sonde, beispielsweise mit einer Vielzahl von Steuergeräten und/oder Ansteuerungen kompatibel sein. In dem ersten Betriebsmodus, beispielsweise in dem Fall des Betriebs mit gepumpter Referenz, kann sich dadurch ein Vorteil ergeben, dass die zweite Referenzelektrode als "Überdruckventil" zu der ersten Referenzelektrode wirken kann. Hierdurch kann beispielsweise unabhängig von dem Referenzpumpstrom, beispielsweise dem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der ersten Referenzelektrode, der Sauerstoffpartialdruck p(O2), insbesondere in einem Gasbereich der ersten Referenzelektrode, insbesondere nahe an der ersten Referenzelektrode, konstant gehalten werden. Hierdurch kann sich beispielsweise eine Kennliniengenauigkeit, insbesondere gegenüber Sensorvorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik, erhöhen und/oder eine hohe Kennliniengenauigkeit kann erzielt werden, da die Betriebsbedingungen beispielsweise stabiler gehalten werden können.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
  • 2 eine schematische Darstellung von Innenwiderständen des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
  • 3 einen beispielhaften Potenzialverlauf zwischen einer ersten Elektrode und einer ersten Referenzelektrode und zwischen der ersten Elektrode und einer zweiten Referenzelektrode;
  • 4A eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit schematisch dargestellten Innenwiderständen;
  • 4B eine Aufsicht auf eine Sensorfolie des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
  • 5A eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit schematisch dargestellten Innenwiderständen;
  • 5B eine Aufsicht auf eine Sensorfolie des dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den 1, 2, 4A und 4B, 5A und 5B sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, eines Gases 112 in einem Messgasraum 114, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas 116 einer Verbrennungsmaschine, dargestellt. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein Sensorelement 118. Das Sensorelement 118 umfasst mindestens eine erste Elektrode 120 und mindestens eine erste Referenzelektrode 122 und mindestens eine zweite Referenzelektrode 124. Die zweite Referenzelektrode 124 und optional auch die erste Referenzelektrode 122 sind mit mindestens einem Referenzgaskanal 126 verbunden, insbesondere beispielsweise derart verbunden, dass ein Austausch der Gaskomponente, insbesondere ein Gasaustausch, beispielsweise von Sauerstoffionen, stattfinden kann. Die erste Elektrode 120 ist mit der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124 jeweils über mindestens einen Festelektrolyten 128 verbunden. Das Sensorelement 118 weist zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und dem Referenzgaskanal 126 mindestens ein Diffusionselement 130 auf. Bei dem Diffusionselement 130 kann es sich insbesondere um eine Diffusionsschicht 156 handeln. Durch das Diffusionselement 130 kann ein Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und dem Referenzgaskanal 126 ermöglicht sein. Der Gasaustausch kann vorzugsweise ausschließlich durch die Diffusionsschicht 156 stattfinden. Prinzipiell können das Diffusionselement 130 und/oder optional die Diffusionsschicht 156 auch gasdicht, beispielsweise vollkommen dicht, gegenüber dem Referenzgaskanal 126 abgedichtet sein, beispielsweise durch mindestens eine gasdichte Abdeckung. So kann alternativ oder zusätzlich zu der Diffusionsschicht 156 beispielsweise mindestens ein Abdeckelement eingefügt werden, beispielsweise eine vollständig gasdichte Abdeckschicht. Beispielsweise kann das Sensorelement 118 zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und dem Referenzgaskanal 126 mindestens eine gasdichte Abdeckung aufweisen. Ein Überdruck, insbesondere ein Sauerstoffüberdruck, an der ersten Referenzelektrode 122 kann beispielsweise durch eine Sauerstoffionenleitung zur zweiten Referenzelektrode 124, beispielsweise mit anschließender Oxidation, abgebaut werden.
  • Der Referenzgaskanal 126 kann bevorzugt offen ausgestaltet sein. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 110, insbesondere das erfindungsgemäße Design, kann insbesondere darauf beruhen, dass der Referenzgaskanal 126, beispielsweise ein Referenzluftkanal, offen ausgestaltet ist und/oder zwei Referenzelektroden, insbesondere die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124, realisiert werden, wobei eine der Elektroden 135, insbesondere die erste Referenzelektrode 122, mit der Diffusionsschicht 156 abgedeckt sein kann. Die Diffusionsschicht 156 weist bevorzugt eine niedrige Porosität auf. Vorzugsweise weist die Diffusionsschicht 156 eine derart niedrige Porosität auf, dass kein Fettgas aus dem Referenzgaskanal 126 zu der ersten Referenzelektrode 122 diffundieren kann. Allerdings sollte vorzugsweise die Porosität derart hoch sein, dass sich kein Sauerstoffüberdruck bilden kann, insbesondere an der ersten Referenzelektrode 122 und/oder an der zweiten Referenzelektrode 124, wodurch beispielsweise das Sensorelement 118 gesprengt werden könnte.
  • Die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124, insbesondere die Referenzelektroden, können bevorzugt elektrisch kurzgeschlossen sein, beispielsweise durch gemeinsame Zuleitungen 142. Das Sensorelement 118 kann bevorzugt zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122 einen ersten Innenwiderstand (R1) 132 aufweisen. Das Sensorelement 118 kann zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Referenzelektrode 124 bevorzugt einen zweiten Innenwiderstand (R2) 134 aufweisen. Der erste Innenwiderstand 132 kann bevorzugt kleiner sein als der zweite Innenwiderstand 134. Insbesondere kann der erste Innenwiderstand (R1) 132, bevorzugt zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere einer äußeren Pumpelektrode, und der ersten Referenzelektrode 122, niederohmig im Vergleich zu dem zweiten Innenwiderstand (R2) 134, insbesondere zwischen der ersten Elektrode 120, beispielsweise der äußeren Pumpelektrode, und der zweiten Referenzelektrode 124, sein, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Wobei unter „niederohmig“ bevorzugt verstanden werden kann, dass eine hohe Ionenleitfähigkeit vorliegen kann.
  • Eine elektrochemische Leistungsfähigkeit der ersten Referenzelektrode 122 kann bevorzugt höher sein als eine elektrochemische Leistungsfähigkeit der zweiten Referenzelektrode 124. Beispielsweise können die Referenzelektroden, insbesondere die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124, derart ausgestaltet sein, dass die zweite Referenzelektrode 124, welche beispielsweise als Luftreferenzelektrode ausgestaltet sein kann, eine geringere elektrochemische Leistungsfähigkeit aufweist als die erste Referenzelektrode 122, welche bevorzugt mit einer Diffusionsschicht 156, beispielsweise mit einem Diffusionselement 130, versehen sein kann. Eine Verringerung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit kann beispielsweise durch eine andere, insbesondere eine höhere, Elektrodentemperatur, insbesondere eine höhere mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode 122, und/oder durch eine andere Pastenzusammensetzung der Elektrode 135, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 im Vergleich zu der zweiten Referenzelektrode 124, und/oder durch eine andere Geometrie der Elektrode 135, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 im Vergleich zu der zweiten Referenzelektrode 124, erreicht werden, wie beispielsweise im Folgenden ausgeführt.
  • Die Sensorvorrichtung 110 kann mindestens eine Ansteuerung 136 umfassen. Die Ansteuerung 136 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 138 mit dem Sensorelement 118 verbunden sein, wie beispielsweise in 1, 2, 4A und 5A dargestellt. Die Ansteuerung 136 kann aber auch vollständig oder teilweise in das Sensorelement 118 integriert sein. Die Ansteuerung 136 kann beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Die Ansteuerung 136 kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden 135, beispielsweise die erste Elektrode 120 und/oder die erste Referenzelektrode 122 und/oder die zweite Referenzelektrode 124, mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizzuleitungen, insbesondere zur Versorgung eines Heizelements 140, insbesondere mindestens einer Heizerfolie 148, mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, umfassen. Weiterhin kann die Ansteuerung 136 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Weiterhin kann die Ansteuerung 136 optional beispielsweise mindestens eine Auswertevorrichtung, beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen. Weiterhin optional kann die Ansteuerung 136 mindestens einen Signalgenerator umfassen. Die Ansteuerung 136 kann überdies optional mindestens einen Regler, beispielsweise mindestens einen Lock-in-Regler, umfassen.
  • Die Ansteuerung 136 kann insbesondere eingerichtet sein, um in einem ersten Betriebsmodus das Sensorelement 118 mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode 120, beispielsweise der äußeren Elektrode, und der ersten Referenzelektrode 122 zu beaufschlagen. In dem ersten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Betriebsmodus mit einer gepumpten Referenz handeln. Die Ansteuerung 136 kann weiterhin eingerichtet sein, um in einem zweiten Betriebsmodus das Sensorelement 118 ohne Pumpspannung und ohne Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere einer Außenelektrode, und der ersten Referenzelektrode 122 zu betreiben. Die Ansteuerung 136 kann weiterhin eingerichtet sein, um beispielsweise in dem ersten Betriebsmodus und/oder in dem zweiten Betriebsmodus durch Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122 und/oder zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Referenzelektrode 124 und/oder zwischen mindestens einer elektrischen Zuleitung 142 der ersten Elektrode 120 und mindestens einer elektrischen Zuleitung 142 der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124 auf den Anteil der Gaskomponente, beispielsweise einen Sauerstoffpartialdruck, zu schließen. In dem ersten Betriebsmodus, insbesondere in einem Betriebsmodus mit gepumpter Referenz, kann, beispielsweise aufgrund des geringeren ersten Innenwiderstands 132 im Vergleich zu dem zweiten Innenwiderstand 134, ein lokaler Partialdruck, insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck p(O2), in dem Diffusionselement 130, insbesondere in der Diffusionsschicht 156, erhöht werden, in dem ein Strom, insbesondere ein Ionenstrom, zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122 bevorzugt fließen kann, insbesondere im Vergleich zu einem Strom von der ersten Elektrode 120 zu der zweiten Referenzelektrode 124, insbesondere in dem Sauerstoffionen von der ersten Elektrode 120 zu der ersten Referenzelektrode 122 transportiert werden können. Beispielsweise kann hierdurch CSD, insbesondere an der ersten Referenzelektrode 122, verhindert werden. Bei einer Differenz von Innenwiderständen, beispielsweise zwischen dem ersten Innenwiderstand 132 und dem zweiten Innenwiderstand 134, von beispielsweise 1000 Ω und einem Referenzpumpstrom von 50 µA zwischen der ersten Elektrode 120 und den Referenzelektroden, insbesondere der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, ergibt sich beispielsweise eine Nernstspannung von 1000 Ω × 50 µA = 50 mV an der ersten Referenzelektrode 122, insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck an der ersten Referenzelektrode 122, welcher um einen Faktor 10 höher ist als ein Sauerstoffpartialdruck an der zweiten Referenzelektrode 124. Hierdurch sollte beispielsweise die erste Referenzelektrode 122, insbesondere aufgrund des geringeren ersten Innenwiderstands 132 RiDC, die Nernstspannung dominieren.
  • Insbesondere kann sich ein elektrisches Mischpotenzial, bevorzugt zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, ausbilden. Das elektrische Mischpotential kann beispielsweise durch eine Gesamtspannung UN1 ≥ Uges ≥ UN2 beschrieben werden. UN1 kann bevorzugt eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und der ersten Referenzelektrode 122 sein. UN2 kann bevorzugt eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und der zweiten Referenzelektrode 122 sein. Hierdurch kann beispielsweise ein Einfluss eines CSDs an der zweiten Referenzelektrode 124, sofern vorhanden, reduziert werden. Im ersten Moment, insbesondere ohne Ausgleichsströme zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, kann sich ein Potenzialverlauf ergeben, wie er beispielsweise in 3 dargestellt ist. 3 zeigt einen Potenzialverlauf φ in Abhängigkeit eines Abstandes x, insbesondere wie durch die senkrechten gestrichelten Linien angedeutet, insbesondere eines Abstandes x zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und jeweils einer Referenzelektrode, insbesondere der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124. 3 zeigt insbesondere einen Potenzialverlauf, wobei die erste Elektrode 120, insbesondere die äußere Pumpelektrode, beispielsweise einem Fettgas ausgesetzt ist und die zweite Referenzelektrode 124 unter leichtem CSD leidet und keine Ausgleichströme zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124 fließen. Die gemessene Gesamtspannung Uges, insbesondere eine Nernstspannung, setzt sich bevorzugt aus den Einzelspannungen an der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, wie oben beschrieben, zusammen.
  • Eine beispielsweise während des ersten Betriebsmodus, insbesondere bei gepumpter Referenz, entstehende Partialdruckdifferenz, insbesondere eine pO2-Differenz, beispielsweise zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, kann beispielsweise einen Strom, insbesondere einen O2-Strom, von der ersten Referenzelektrode 122 zu der zweiten Referenzelektrode 124 bewirken, welcher insbesondere durch den elektronischen Kurzschluss möglich gemacht werden kann. Mögliches CSD an der zweiten Referenzelektrode 124 kann hierdurch beispielsweise zumindest teilweise abgebaut werden. In der Regel kann hierdurch allerdings CSD an der zweiten Referenzelektrode 124 nicht komplett verhindert werden. Der Strom, beispielsweise ein Ausgleichsstrom von der ersten Referenzelektrode 122 zu der zweiten Referenzelektrode 124, kann beispielsweise zwischen 1 µA und 10 mA, bevorzugt zwischen 10 µA und 1 mA, besonders bevorzugt ungefähr 100 µA betragen. Ein Grenzstrom des Referenzkanals, insbesondere des offenen Referenzkanals, kann beispielsweise zwischen 5 µA und 50 mA, beispielsweise zwischen 50 µA und 5 mA, besonders bevorzugt ungefähr 500 µA betragen. Der Strom, insbesondere der Ausgleichsstrom, zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124 kommt daher in der Regel nicht gegen den Grenzstrom des offenen Referenzkanals an.
  • In dem zweiten Betriebsmodus, insbesondere bei Luftreferenz, kann ein mögliches CSD, beispielsweise an der ersten Referenzelektrode 122, durch einen Strom, insbesondere durch einen O2-Strom, von der zweiten Referenzelektrode 124 zu der ersten Referenzelektrode 122 bevorzugt abgebaut und/oder verhindert werden. In dem zweiten Betriebsmodus, insbesondere bei Luftreferenz, fließt in der Regel kein Referenzpumpstrom, wodurch beispielsweise ein Spannungsabfall über einer Innenwiderstandsdifferenz 0 werden kann oder im Wesentlichen nur durch den Ausgleichsstrom bestimmt werden kann. Daher klingt der Ausgleichsstrom bevorzugt exponentiell ab und es kommt in der Regel verzögert zu einem vollen Ausgleich der Partialdrücke, insbesondere der Sauerstoffpartialdrücke. Der Ausgleichsstrom kann üblicherweise durch die Differenz der Sauerstoffpartialdrücke an der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124 und durch den Innenwiderstand zwischen beiden, insbesondere dem Innenwiderstand zwischen der ersten Referenzelektrode 122 und der zweiten Referenzelektrode 124, bestimmt sein.
  • Das Sensorelement 118, insbesondere die Sonde, kann wahlweise im ersten Betriebsmodus, bei gepumpter Referenz, oder im zweiten Betriebsmodus, mit Luftreferenz, betrieben werden, bevorzugt dadurch bestimmt und/oder geregelt, ob oder dass zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122 ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung beaufschlagt wird, wie beispielsweise in dem ersten Betriebsmodus gefordert.
  • Das Funktionsprinzip kann insbesondere darauf basieren, dass der erste Innenwiderstand 132 des Sensorelements 118, beispielsweise zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und der zweiten Referenzelektrode 124, erhöht ist im Vergleich zu dem zweiten Innenwiderstand 134, beispielsweise zwischen der ersten Elektrode 120, insbesondere der äußeren Pumpelektrode, und der ersten Referenzelektrode 122. Der Unterschied zwischen dem ersten Innenwiderstand 132 und dem zweiten Innenwiderstand 134 kann durch unterschiedliche Ausführungsformen der Sensorvorrichtung 110 erreicht werden, wie beispielsweise im Folgenden beschrieben und exemplarisch in den 1, 2, 4A und 4B, 5A und 5B dargestellt.
  • Die erste Referenzelektrode 122 kann hierbei insbesondere mit einem porösen Material, insbesondere mit einem porösen Diffusionselement 130, bedeckt sein. Insbesondere kann es sich bei der ersten Referenzelektrode 122 um eine mit einem porösen Diffusionselement 130 bedeckte Referenzelektrode handeln, wie beispielsweise in 1 dargestellt. Insbesondere ist in dem ersten Ausführungsbeispiel, welches in 1 und 2 dargestellt ist, die erste Referenzelektrode 122 getrennt von der zweiten Referenzelektrode 124 ausgestaltet, wobei beide Referenzelektroden, beispielsweise die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124, eine gemeinsame Zuleitung 142 besitzen, insbesondere eine elektrische Zuleitung 142, so dass die erste Referenzelektrode 122 bevorzugt mit der zweiten Referenzelektrode 124 kurzgeschlossen ist.
  • Bei der zweiten Referenzelektrode 124 kann es sich beispielsweise um eine zurückgezogene erste Referenzelektrode 122 handeln, insbesondere um eine erste Referenzelektrode 122, welche außerhalb eines Hot-Spots 144 angeordnet sein kann, wie beispielsweise in 2, 4A und 5A dargestellt. Bei einem Hot-Spot 144 kann es sich bevorzugt um einen Bereich des Sensorelements 118 handeln, welcher eine höhere Temperatur, beispielsweise eine höhere mittlere Temperatur, aufweist als ein anderer Teil des Sensorelements 118. Der Hot-Spot 144 ist in 2, 4A und 5A jeweils durch einen Kreis schematisch angedeutet. Das Sensorelement 118 kann bevorzugt mindestens einen Hot-Spot 144 aufweisen. Der Hot-Spot 144 kann beispielsweise eine höhere mittlere Temperatur aufweisen, indem er beispielsweise geheizt wird, beispielsweise durch das Heizelement 140, beispielsweise indem der Hot-Spot 144 eine Nähe zu dem Heizelement 140 aufweist. Eine mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode 122 kann beispielsweise höher sein als eine mittlere Temperatur der zweiten Referenzelektrode 124. Beispielsweise kann die zweite Referenzelektrode 124 außerhalb des Hot-Spots 144, beispielsweise in Richtung der Zuleitungen 142, beispielsweise von Anschlusskontakten, positioniert sein und/oder die erste Referenzelektrode 122 kann bevorzugt zumindest teilweise in dem Hot-Spot 144 angeordnet sein. Der Hot-Spot 144 kann beispielsweise ungefähr kreisrund ausgebildet sein, wie insbesondere in den 2, 4A, 4B, 5A, 5B dargestellt. Prinzipiell kann der Hot-Spot 144 eine beliebige Form, insbesondere eine beliebige Ausdehnung aufweisen, beispielsweise ellipsenförmig oder eine andere runde Form, insbesondere kann der Hot-Spot 144 auch eine dreidimensionale Ausdehnung aufweisen, beispielsweise in etwa kugelförmig oder ellipsoidförmig. Durch eine Positionierung der zweiten Referenzelektrode 124 in Richtung der Zuleitung 142 kann sich beispielsweise auch ein geometrischer Abstand zwischen der ersten Elektrode 120, beispielsweise einer äußeren Pumpelektrode, und der zweiten Referenzelektrode 124 verlängern, insbesondere im Vergleich zu einem geometrischen Abstand zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122, wodurch sich beispielsweise der zweite Innenwiderstand 134 gegenüber dem ersten Innenwiderstand 132 erhöhen kann.
  • Insbesondere kann ein minimaler Abstand zwischen der ersten Elektrode 120 und der ersten Referenzelektrode 122 kleiner sein als ein minimaler Abstand zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Referenzelektrode 124, was ebenfalls den ersten Innenwiderstand 132 gegenüber dem zweiten Innenwiderstand 134 verringern kann.
  • Der Innenwiderstand, insbesondere der erste Innenwiderstand 132, kann sich insbesondere auch durch eine geringere mittlere Temperatur, beispielsweise durch eine geringere Betriebstemperatur, gegenüber dem zweiten Innenwiderstand 134 erniedrigen, womit beispielsweise eine hochohmige Anbindung der zweiten Referenzelektrode 124 erreicht werden kann. Eine Anordnung der ersten Referenzelektrode 122 in dem Hot-Spot 144, womit in der Regel eine erhöhte mittlere Temperatur der ersten Referenzelektrode 122 einhergehen kann, kann hierdurch insbesondere zu einem niedrigeren ersten Innenwiderstand 132 führen, im Gegensatz zu einem zweiten Innenwiderstand 134 der zweiten Referenzelektrode 124, welche bevorzugt außerhalb des Hot-Spots 144 angeordnet sein kann.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in den 4A und 4B dargestellt, kann die zweite Referenzelektrode 124 die erste Referenzelektrode 122 bevorzugt ringförmig umschließen. Beispielsweise kann die zweite Referenzelektrode 124 ringförmig ausgestaltet sein und/oder zumindest teilweise, bevorzugt komplett, außerhalb des Hot-Spots 144 angeordnet sein. Auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 4A und 4B dargestellt, kann die zweite Referenzelektrode 124 bevorzugt außerhalb des Hot-Spots 144 positioniert sein. Hierdurch kann beispielsweise eine elektrochemische Aktivität der zweiten Referenzelektrode 124 gegenüber der ersten Referenzelektrode 122 gesenkt werden, beispielsweise verbunden mit einer Erhöhung des zweiten Innenwiderstandes 134 verglichen mit dem ersten Innenwiderstand 132. Ein Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels, wie in den 4A und 4B dargestellt, und/oder einer ringförmigen zweiten Referenzelektrode 124 kann insbesondere die Symmetrie sein, da durch eine Symmetrie beispielsweise mechanische Spannungen in dem Sensorelement 118, beispielsweise nach einem Sinterprozess, vermieden werden können.
  • Die 4B und 5B zeigen jeweils Aufsichten von Sensorelementen 118, insbesondere von Sensorfolien 246, von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Sensorvorrichtungen 110. Insbesondere zeigen die 4B und 5B mindestens eine Sensorfolie 146, wobei in den 1, 2, 4A und 5A die mindestens eine Sensorfolie 146 und mindestens eine Heizerfolie 148 dargestellt sind. Bei der Sensorfolie 146 kann es sich bevorzugt um eine Komponente, insbesondere eine Schicht, des Sensorelements 118 handeln, welche beispielsweise den Festelektrolyten 128 umfasst. Bei der Heizerfolie 148 kann es sich bevorzugt um eine Komponente, insbesondere eine Schicht, des Sensorelements 118 handeln, welche beispielsweise das Heizelement umfasst. Die 1, 2, 4A, 5A zeigen insbesondere Querschnitte von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Sensorvorrichtungen 110, insbesondere von Sensorelementen 118.
  • In 5A und 5B ist exemplarisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt, wobei die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124 kombiniert ausgestaltet sein können. Beispielsweise können die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124 mindestens eine gemeinsame Schicht 150 aufweisen. Beispielsweise können während der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124 zusammenhängend gedruckt werden. Der Bereich, welcher der ersten Referenzelektrode 122 zugeordnet werden kann, beispielsweise mindestens ein erster Bereich 152, kann zusätzlich durch eine diffusive Schicht, beispielsweise durch ein Diffusionselement 130, bedeckt sein. Beispielsweise können die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124 durch eine dicke einzige Elektrode 135, vorzugsweise mit hochohmigem Stützgerüst, realisiert werden. Die dicke einzige Elektrode 135 kann beispielsweise nur durch den Kontakt zu dem Zirkoniumdioxid (ZrO2), beispielsweise auf einer Heizerseite eines offenen Referenzkanals, beispielsweise eines Referenzgaskanals 126, erwärmt werden. Hierdurch können beispielsweise die erste Referenzelektrode 122, insbesondere eine diffusionsgeschützte erste Referenzelektrode 122, und/oder die heißere erste Referenzelektrode 122, realisiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Sensorelement 118 bevorzugt mindestens eine kombinierte Elektrode 135 umfassen, insbesondere eine Elektrode 135, welche die erste Referenzelektrode 122 und die zweite Referenzelektrode 124 kombiniert umfasst, wobei über der ersten Referenzelektrode 122 bevorzugt mindestens eine Diffusionsschicht 156 sein kann.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel und in dem dritten Ausführungsbeispiel können insbesondere mindestens zwei zweite Innenwiderstände 134, wie beispielsweise in den 4A und 5A dargestellt, vorhanden sein und/oder schematisch dargestellt werden, insbesondere aufgrund der ringförmigen zweiten Referenzelektrode 124.
  • Die erste Referenzelektrode 122 kann insbesondere durch den mindestens einen ersten Bereich 152, vorzugsweise zumindest teilweise mit dem Diffusionselement 130 bedeckt, einer in dem Referenzgaskanal 126 angeordneten Elektrode 135 gebildet werden. Die zweite Referenzelektrode 124 kann durch mindestens einen zweiten Bereich 154 der in dem Referenzgaskanal 126 angeordneten Elektrode 135 gebildet werden. Der erste Bereich 152 und der zweite Bereich 154 können bevorzugt verschieden sein und der erste Bereich 152 kann durch mindestens eine Diffusionsschicht 156 hin zu dem Referenzgaskanal 126 abgedeckt sein. Die Diffusionsschicht 156 kann zumindest einen Teil des Diffusionselements 130 bilden. Beispielsweise kann sich weiterhin eine Geometrie der ersten Referenzelektrode 122 von einer Geometrie der zweiten Referenzelektrode 124 unterscheiden.
  • Beispielsweise kann sich eine Materialzusammensetzung der ersten Referenzelektrode 122 von einer Materialzusammensetzung der zweiten Referenzelektrode 124 unterscheiden. Insbesondere können unterschiedliche Elektrodenausführungen vorliegen, beispielsweise unterschiedliche Ausführungen der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, beispielsweise wie oben beschrieben, bevorzugt um den zweiten Innenwiderstand 134 höher als den ersten Innenwiderstand 132 zu realisieren. Insbesondere kann die erste Referenzelektrode 122 gegenüber der zweiten Referenzelektrode 124 anders realisiert werden, insbesondere durch eine unterschiedliche Elektrodenausführung und/oder eine unterschiedliche Elektrodengeometrie und/oder eine andere Materialzusammensetzung, um ebenfalls den zweiten Innenwiderstand 134 gegenüber dem ersten Innenwiderstand 132 zu erhöhen. Bevorzugt kann die Veränderung, insbesondere eine Unterschiedlichkeit, derart ausgeführt sein, dass die elektrochemische Aktivität der zweiten Referenzelektrode 124 gegenüber der elektrochemischen Aktivität der ersten Referenzelektrode 122 reduziert ist. Hierdurch kann ebenfalls insbesondere der zweite Innenwiderstand 134 gegenüber dem ersten Innenwiderstand 132 steigen. Die Veränderung und/oder die unterschiedliche Elektrodenausführung und/oder die Reduzierung der elektrochemischen Aktivität der zweiten Referenzelektrode 124 und/oder das Steigen des zweiten Innenwiderstands 134 gegenüber dem ersten Innenwiderstand 132 kann weiterhin beispielsweise erfolgen durch eine Maßnahme ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus: eine Variation eines Stützgerüstgehalts einer Elektrodenpaste, insbesondere der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124; ein Pastenzusatz, welcher bevorzugt nicht elektrochemisch aktiv ist, beispielsweise bei der zweiten Referenzelektrode 124, beispielsweise Al2O3; eine reduzierte Elektrodenfläche, insbesondere der zweiten Referenzelektrode 124; eine schlechte Elektrodenanbindung, insbesondere der zweiten Referenzelektrode 124, an eine Folie, insbesondere an die Sensorfolie 146, beispielsweise an den Festelektrolyten 128; eine veränderte Porosität der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, insbesondere eine Porosität der ersten Referenzelektrode 122, die zu einer Verlängerung einer Dreiphasengrenze gegenüber der zweiten Referenzelektrode 124 führen kann, wobei an der Dreiphasengrenze üblicherweise eine elektronische Phase und eine ionische Phase und eine gasförmige Phase aneinander grenzen; eine veränderte Dicke der ersten Elektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, insbesondere eine Erhöhung der Dicke der ersten Referenzelektrode 122 gegenüber der zweiten Referenzelektrode 124; eine veränderte Perkolation der elektronischen Phase, insbesondere ein zusammenhängendes elektronisch leitfähiges Material, beispielsweise von Pt, und/oder der ionischen Phase, beispielsweise ZrO2, der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, besonders bevorzugt der ersten Referenzelektrode 122 gegenüber der zweiten Referenzelektrode 124; durch eine Änderung des elektrochemisch aktiven Pastenanteils, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, bevorzugt der ersten Referenzelektrode 122 gegenüber der zweiten Referenzelektrode 124, beispielsweise durch vollständiges oder teilweises Ersetzen von Pt durch Pd. Insbesondere kann die zweite Referenzelektrode 124 bevorzugt eine schlechtere Anbindung an den Festelektrolyten 128 aufweisen als die erste Referenzelektrode 122.
  • Weiterhin können sich Eigenschaften des bedruckten Festelektrolyten 128 unterscheiden, bevorzugt um den zweiten Innenwiderstand 134 gegenüber dem ersten Innenwiderstand 132 zu erhöhen. Beispielsweise können Widerstandsverhältnisse zwischen dem ersten Innenwiderstand 132 und dem zweiten Innenwiderstand 134 durch eine Modifizierung eines bedruckten Festelektrolytmaterials selbst eingestellt werden, insbesondere im Gegensatz zu einer Modifizierung der Elektrodenpasten, insbesondere der Pasten der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124. Beispielsweise kann eine Festelektrolytfolie, insbesondere eine Folie, beispielsweise die Sensorfolie 146, welche vorzugsweise zumindest teilweise den Festelektrolyten 128 bilden kann, beispielsweise durch Inlay-Technologie derart ausgestaltet werden, dass die Festelektrolytfolie bevorzugt Bereiche mit hoher und Bereiche mit niedriger Ionenleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann der erste Bereich 152 bevorzugt hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen und/oder der zweite Bereich 154 bevorzugt niedrige Ionenleitfähigkeit. Bevorzugt wird hierbei beispielsweise die zweite Referenzelektrode 124 auf einen Bereich mit niedriger Leitfähigkeit, beispielsweise den zweiten Bereich 154, insbesondere niedriger Ionenleitfähigkeit, und/oder die erste Referenzelektrode 122 und/oder eine äußere Elektrode auf einen Bereich, insbesondere den ersten Bereich 152, mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere hoher Ionenleitfähigkeit, gedruckt.
  • Weiterhin kann beispielsweise eine Temperatur reduziert werden, insbesondere eine Temperatur und/oder eine mittlere Temperatur mindestens eines Teils des Sensorelements 118, beispielsweise durch Regelung eines Heizelements 140, wobei eine Reduzierung der Temperatur mindestens eines Teils des Sensorelements 118 beispielsweise eine Reduzierung der katalytischen Aktivität mindestens eines Teils des Sensorelements 118 ergeben kann, wobei eine Reduzierung der katalytischen Aktivität mindestens eines Teils des Sensorelements 118, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, eine Reduzierung des CSD ergeben kann.
  • Beispielsweise kann die erste Referenzelektrode 122 mit Au versehen sein und kann damit beispielsweise bei niedriger Temperatur mindestens eines Teils des Sensorelements 118, beispielsweise 200–1000 °C, insbesondere 500–800°C, vorzugsweise 500°C zu einem HC-Sensor werden. Hierdurch kann beispielsweise eine HC-Oxidation in der Referenz, beispielsweise an der ersten Referenzelektrode 122 und/oder an der zweiten Referenzelektrode 124 und/oder in dem Referenzgaskanal 126, vermieden, insbesondere generell vermieden, werden, wobei bevorzugt eine Auswertung des Sauerstoffpartialdrucks, insbesondere des O2-Partialdrucks, trotzdem möglich sein kann, beispielsweise, da die Elektrodenfunktion, beispielsweise die Funktion der ersten Elektrode 120 und/oder die Funktion der ersten Referenzelektrode 122 und/oder die Funktion der zweiten Referenzelektrode 124, bei genügend hochohmigem Abgriff des Sondensignals selten, bevorzugt nie, eine Pumpbelastung von einer Referenzelektrode, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, zu der äußeren Pumpelektrode, beispielsweise der ersten Elektrode 120, erfordert. Hierdurch kann beispielsweise ein erforderlicher Sauerstoffausbau an der Referenzelektrode, beispielsweise der ersten Referenzelektrode 122 und/oder der zweiten Referenzelektrode 124, ungehindert weiter möglich sein. Hiermit kann sich beispielsweise eine Gefahr der Eindiffusion von Kohlenwasserstoffen (HC) von einer Sauerstoffzehrung durch Oxidation zu einer reinen Verdrängung des Sauerstoffs, beispielsweise ähnlich wie bei Wasser, vermindert werden.
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    • DE 4333230 A1 [0006]
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    • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0001]

Claims (11)

  1. Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases (112) in einem Messgasraum (114), insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas (116) einer Verbrennungsmaschine, wobei die Sensorvorrichtung (110) mindestens ein Sensorelement (118) umfasst, wobei das Sensorelement (118) mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine erste Referenzelektrode (122) und mindestens eine zweite Referenzelektrode (124) umfasst, wobei die zweite Referenzelektrode (124) mit mindestens einem Referenzgaskanal (126) verbunden ist, wobei die erste Elektrode (120) mit der ersten Referenzelektrode (122) und der zweiten Referenzelektrode (124) jeweils über mindestens einen Festelektrolyten (128) verbunden ist, wobei das Sensorelement (118) weiterhin mindestens ein mit der ersten Referenzelektrode (122) verbundenes Diffusionselement (130) aufweist.
  2. Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Diffusionselement (130) zumindest teilweise zwischen der ersten Referenzelektrode (122) und dem Referenzgaskanal (126) angeordnet ist.
  3. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auch die erste Referenzelektrode (122) mit dem Referenzgaskanal (126) verbunden ist, wobei durch das Diffusionselement (130) ein Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode (122) und dem Referenzgaskanal (126) durch das Diffusionselement (130) ermöglicht ist.
  4. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Referenzelektrode (122) gegenüber dem Referenzgaskanal (126) abgedichtet ist, wobei ein direkter Gasaustausch zwischen der ersten Referenzelektrode (122) und dem Referenzgaskanal (126) verhindert wird.
  5. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (118) zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) einen ersten Innenwiderstand (132) aufweist, wobei des Sensorelement (118) zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Referenzelektrode (124) einen zweiten Innenwiderstand (134) aufweist, wobei der erste Innenwiderstand (132) kleiner als der zweite Innenwiderstand (134) ist.
  6. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Referenzelektrode (122) und die zweite Referenzelektrode (124) elektrisch kurzgeschlossen sind.
  7. Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Referenzelektrode (122) durch mindestens einen ersten Bereich (152) einer in dem Referenzgaskanal (126) angeordneten Elektrode (135) gebildet wird, wobei die zweite Referenzelektrode (124) durch mindestens einen zweiten Bereich (154) der in dem Referenzgaskanal (126) angeordneten Elektrode (135) gebildet wird, wobei der erste Bereich (152) und der zweite Bereich (154) verschieden sind und wobei der erste Bereich (152) durch mindestens eine Diffusionsschicht (156) hin zu dem Referenzgaskanal (126) abgedeckt ist, wobei die Diffusionsschicht (156) zumindest einen Teil des Diffusionselements (130) bildet.
  8. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzgaskanal (126) offen ausgestaltet ist.
  9. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (110) mindestens eine Ansteuerung (136) umfasst, wobei die Ansteuerung (136) eingerichtet ist, um in einem ersten Betriebsmodus das Sensorelement (118) mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) zu beaufschlagen, wobei die Ansteuerung (136) weiterhin eingerichtet ist, um in einem zweiten Betriebsmodus das Sensorelement (118) ohne Pumpspannung und ohne Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) zu betreiben, wobei die Ansteuerung (136) weiterhin eingerichtet ist, um in dem ersten Betriebsmodus und/oder in dem zweiten Betriebsmodus durch Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) und/oder zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Referenzelektrode (124) und/oder zwischen mindestens einer elektrischen Zuleitung (142) der ersten Elektrode (120) und mindestens einer elektrischen Zuleitung (142) der ersten Referenzelektrode (122) und/oder der zweiten Referenzelektrode (124) auf den Anteil der Gaskomponente zu schließen.
  10. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Geometrie der ersten Referenzelektrode (122) von einer Geometrie der zweiten Referenzelektrode (124) unterscheidet.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Betriebsmodus das Sensorelement (118) mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) beaufschlagt wird, wobei in einem zweiten Betriebsmodus das Sensorelement (118) ohne Pumpspannung und ohne Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) betrieben wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus und/oder in dem zweiten Betriebsmodus durch Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms zwischen der ersten Elektrode (120) und der ersten Referenzelektrode (122) und/oder zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Referenzelektrode (124) und/oder zwischen mindestens einer elektrischen Zuleitung (142) der ersten Elektrode (120) und mindestens einer elektrischen Zuleitung (142) der ersten Referenzelektrode (122) und/oder der zweiten Referenzelektrode (124) auf den Anteil der Gaskomponente geschlossen wird.
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