DE102011089304A1

DE102011089304A1 - Sensor for detecting gas content in vicinity of sensor, and for use in intake section of internal combustion engines for detecting exhaust gas recirculation rate, has voltage source for applying voltage difference across electrodes

Info

Publication number: DE102011089304A1
Application number: DE201110089304
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Andreas Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20

Abstract

The sensor has a substrate (10), where one electrode (21) and another electrode (22) are disposed on the substrate. A voltage difference is applied between former and latter electrodes, where the electrodes are covered by a diffusion barrier layer (30). A voltage source (40) is provided for applying the voltage difference across the electrodes, where a protective layer is formed porous over the electrodes in such a way that oxygen atoms (100) are diffused through the protective layer during concentration difference in an oxygen atmosphere on opposite sides of the protective layer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors, insbesondere einen Sensor zur Erfassung eines Sauerstoffgehalts in der Umgebung des Sensors. The invention relates to a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor, in particular a sensor for detecting an oxygen content in the vicinity of the sensor.

Sauerstoffsensoren im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren, die sowohl als Otto- oder Dieselmotoren ausgebildet sein können, dienen der Erfassung der Abgasrückführungsrate. Ohne Abgasrückführung (AGR) beträgt der Sauerstoffgehalt in der Ansaugluft circa 21 %. Mit zunehmendem Abgasrückführungsanteil sinkt der Sauerstoffgehalt in der Ansaugluft. Als Sauerstoffsensoren können beispielsweise lineare Lambdasonden verwendet werden. Sauerstoffsensoren weisen üblicherweise eine Kathode und eine Anode auf. Die Kathode ist dabei diejenige Elektrode, an der der Sauerstoff eindiffundiert. An der Anode tritt der Sauerstoff wieder aus dem Sensor aus. Derartige Sauerstoffsensoren können auf der Kathode eine Diffusionsbarriereschicht aufweisen. Die Anode kann gegen Schmutzbelag mehr oder weniger grobporig abgedeckt werden, ohne dass das Austreten des Sauerstoffs wesentlich behindert wird. Oxygen sensors in the intake tract of internal combustion engines, which may be designed both as gasoline or diesel engines, serve to detect the exhaust gas recirculation rate. Without exhaust gas recirculation (EGR), the oxygen content in the intake air is approximately 21%. As the proportion of exhaust gas recirculation increases, the oxygen content in the intake air decreases. As oxygen sensors, for example, linear lambda probes can be used. Oxygen sensors usually have a cathode and an anode. The cathode is the electrode at which the oxygen diffuses. At the anode, the oxygen comes out of the sensor again. Such oxygen sensors may have a diffusion barrier layer on the cathode. The anode can be covered more or less coarse-pored against dirt, without the leakage of oxygen is significantly impeded.

Die Diffusionsbarriereschicht kann über der Kathode mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden. Durch die nicht zu vermeidenden Siebdrucktoleranzen kann die Barriereschicht nach dem Aufbringen über der Kathode eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Diffusionsbarriereschicht kann insbesondere am Rand der Kathode zu dünn ausfallen, was an dieser Stelle zu einer vermehrten Sauerstoffdiffusion führt. Geometrietoleranzen der Diffusionsbarriereschicht in Bezug auf die Kathode führen zu Kennlinientoleranzen und einer hohen Exemplarstreuung. The diffusion barrier layer may be applied over the cathode by means of a screen printing process. Due to the unavoidable screen printing tolerances, the barrier layer may have a different thickness after application over the cathode. The diffusion barrier layer can be too thin, in particular at the edge of the cathode, which leads to an increased oxygen diffusion at this point. Geometry tolerances of the diffusion barrier layer with respect to the cathode lead to characteristic tolerances and high specimen scattering.

Es ist wünschenswert, einen Sensor zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors anzugeben, bei dem Schichtdickenschwankungen einer Diffusionsbarriereschicht über einer Elektrode des Sensors reduziert sind. It is desirable to provide a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor in which layer thickness variations of a diffusion barrier layer over an electrode of the sensor are reduced.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Sensor zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors ein Substrat, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei zwischen die erste und zweite Elektrode eine Spannungsdifferenz anlegbar ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind von einer Diffusionsbarriereschicht abgedeckt.According to one embodiment, a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor comprises a substrate, a first electrode and a second electrode, which are arranged on the substrate, wherein a voltage difference can be applied between the first and second electrodes. The first electrode and the second electrode are covered by a diffusion barrier layer.

Bei dem angegebenen Sensor kann die erste und zweite Elektrode in Form einer Digitalelektrode ausgebildet sein, bei der die gesamte Fläche der ersten und zweiten Elektrode mit der Diffusionsbarriereschicht bedruckt ist. Somit sind die Kathode und die Anode von dem Material der Diffusionsbarriereschicht umgeben beziehungsweise in das Material der Diffusionsbarriereschicht eingebettet. Durch das Aufbringen der Diffusionsbarriereschicht vollflächig über den Interdigitalelektroden anstatt die Diffusionsbarriereschicht exakt maskiert über lediglich einer der Elektroden, insbesondere der Kathode, zu drucken, kann eine geringe Exemplarstreuung des Sensors erzielt werden. In the indicated sensor, the first and second electrodes may be in the form of a digital electrode in which the entire surface of the first and second electrodes is printed with the diffusion barrier layer. Thus, the cathode and the anode are surrounded by the material of the diffusion barrier layer or embedded in the material of the diffusion barrier layer. By applying the diffusion barrier layer over the entire area over the interdigital electrodes instead of printing the diffusion barrier layer exactly masked via only one of the electrodes, in particular the cathode, a small copy spread of the sensor can be achieved.

Um die Diffusion des Sauerstoffs aus der Anode heraus nicht zu behindern, kann die Anodenfläche größer als die Fläche der Kathode ausgebildet sein. Die Anode kann beispielsweise eine metallische Schicht sein, die breiter als eine metallische Schicht der Kathode ist. Bei einer fingerförmigen Elektrodenstruktur der Anode und der Kathode kann die Anode beispielsweise mindestens einen Finger mehr als die Kathode aufweisen, da in diesem Fall die Belastung auf die Barriere aufgrund des Sauerstoffdrucks sinkt. In order not to hinder the diffusion of the oxygen out of the anode, the anode area may be larger than the area of the cathode. For example, the anode may be a metallic layer that is wider than a metallic layer of the cathode. For example, in the case of a finger-shaped electrode structure of the anode and the cathode, the anode may have at least one finger more than the cathode, since in this case the load on the barrier drops due to the oxygen pressure.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to figures showing exemplary embodiments of the present invention. Show it:

1 eine Ausführungsform eines Sensors zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors in einer Querschnittsansicht, 1 an embodiment of a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor in a cross-sectional view,

2 eine weitere Ausführungsform eines Sensors zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors in einer Querschnittsansicht, 2 a further embodiment of a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor in a cross-sectional view,

3 eine Ausführungsform eines Sensors zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors in einer Draufsicht. 3 an embodiment of a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor in a plan view.

1 zeigt eine Ausführungsform 1 eines Sensors zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors. Der Sensor ist insbesondere als ein Sauerstoffsensor ausgeführt, der einen Sauerstoffgehalt in der Umgebung des Sensors feststellen kann. Der Sensor umfasst ein Substrat 10, das beispielsweise ein Material aus Zirkoniumdioxid enthält. Auf dem Substrat 10 sind eine Elektrode 21 und eine Elektrode 22 angeordnet, zwischen denen eine Spannungsdifferenz angelegt werden kann. Über der Elektrode 21 ist eine Diffusionsbarriereschicht 30 angeordnet. Die Elektrode 22 ist hingegen nicht von der Diffusionsbarriereschicht 30 bedeckt. 1 shows an embodiment 1 of a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor. In particular, the sensor is designed as an oxygen sensor that can detect an oxygen content in the surroundings of the sensor. The sensor comprises a substrate 10 containing, for example, a zirconia material. On the substrate 10 are an electrode 21 and an electrode 22 arranged, between which a voltage difference can be applied. Above the electrode 21 is a diffusion barrier layer 30 arranged. The electrode 22 is not the diffusion barrier layer 30 covered.

Auf der Seite des Substrats, die zur Seite, auf der die Elektrodenstrukturen 21 und 22 angeordnet sind, entgegengesetzt ist, sind eine Schutzschicht 60, eine Heizschicht 70 und eine weitere Schutzschicht 80 angeordnet. On the side of the substrate, to the side on which the electrode structures 21 and 22 are opposite, are a protective layer 60 , a heating layer 70 and another protective layer 80 arranged.

Zum Erfassen des Gasgehalts der Umgebung des Sensorelements 1 wird an die Elektrodenstrukturen 21 und 22 eine Spannungsdifferenz angelegt. Dazu ist eine Spannungsquelle 40 vorgesehen. Die Spannungsquelle 40 ist an die Elektrodenstrukturen 21 und 22 beispielsweise derart angeschlossen, dass die Elektrode 21 als Kathode und die Elektrodenstruktur 22 als Anode betrieben wird. For detecting the gas content of the environment of the sensor element 1 gets to the electrode structures 21 and 22 a voltage difference created. This is a voltage source 40 intended. The voltage source 40 is to the electrode structures 21 and 22 for example, connected such that the electrode 21 as the cathode and the electrode structure 22 is operated as an anode.

Wenn unter der Kathode 21 der Sauerstoffgehalt zu Null eingestellt wird und der Sensor in eine sauerstoffhaltige Umgebung eingebracht wird, diffundieren aufgrund des Konzentrationsunterschiedes beziehungsweise des Partialdruckunterschiedes zwischen der Umgebung und dem Bereich unter der Kathode, in dem nahezu kein Sauerstoff vorhanden ist, Sauerstoffatome 100 durch die poröse Diffusionsbarriereschicht 30 und die Elektrode 21 in das Substrat 10. Die Sauerstoffatome diffundieren als doppelt negativ geladene Ionen in das Substrat 10, wobei die zur Ionisierung der Sauerstoffatome erforderlichen Elektronen von der elektrisch leitfähigen Kathode 21 geliefert werden. Bei einer zwischen den Elektroden 21 und 22 angelegten Spannung wird der Diffusionsgrenzstrom gemessen. Dieser Strom ist bei einem sauerstoffhaltigen Messgas vom Sauerstoffpartialdruck abhängig. An der Anode werden die Sauerstoffionen wieder in Sauerstoffatome umgewandelt und diffundieren durch die poröse Anode 22 wieder in die sauerstoffhaltige Umgebung. If under the cathode 21 the oxygen content is set to zero and the sensor is placed in an oxygen-containing environment, oxygen atoms diffuse due to the concentration difference or the partial pressure difference between the environment and the area under the cathode in which almost no oxygen is present 100 through the porous diffusion barrier layer 30 and the electrode 21 in the substrate 10 , The oxygen atoms diffuse into the substrate as doubly negatively charged ions 10 , wherein the electrons required for the ionization of the oxygen atoms of the electrically conductive cathode 21 to be delivered. At one between the electrodes 21 and 22 applied voltage, the diffusion limit current is measured. This current is dependent on the partial pressure of oxygen in the case of an oxygen-containing measuring gas. At the anode, the oxygen ions are converted back into oxygen atoms and diffuse through the porous anode 22 back into the oxygenated environment.

Aus Vereinfachungsgründen ist die Diffusionsbarriereschicht 30 in 3 als ein homogener Schichtauftrag auf dem Substrat 10 eingezeichnet, der die Elektrode beziehungsweise Kathode 21 mit gleichmäßiger Schichtdicke überzieht. In der Praxis weist die Diffusionsbarriereschicht 30 allerdings aufgrund der nicht zu vermeidenden Siebdrucktoleranzen, insbesondere am Rand der Kathode 21, eine dünnere Schichtdicke als über einem zentralen Bereich der Kathode auf. Die unterschiedliche Schichtdicke führt zu einer vermehrten Sauerstoffdiffusion und einer hohen Exemplarstreuung eines Sauerstoffsensors gemäß der Ausführungsform 1. For reasons of simplification, the diffusion barrier layer is 30 in 3 as a homogeneous layer coating on the substrate 10 drawn, the electrode or cathode 21 coated with a uniform layer thickness. In practice, the diffusion barrier layer 30 However, due to the unavoidable screen printing tolerances, especially at the edge of the cathode 21 , a thinner layer thickness than over a central region of the cathode. The different layer thickness leads to an increased oxygen diffusion and a high specimen scattering of an oxygen sensor according to the embodiment 1.

2 zeigt eine Ausführungsform 2 eines Sensors zur Erfassung eines Gasgehalts in einer Umgebung des Sensors. Das Sensorbauelement weist ein Substrat 10, das beispielsweise ein Material aus Zirkoniumdioxid enthält, auf. Zirkoniumdioxid hat die Eigenschaft, bei hoher Temperatur, beispielsweise bei einer Temperatur von circa 650 °C, Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können. 2 shows an embodiment 2 of a sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor. The sensor component has a substrate 10 containing, for example, a zirconia material. Zirconium dioxide has the property of being able to transport oxygen ions electrolytically at high temperature, for example at a temperature of approximately 650 ° C.

Auf einer Seitenfläche S10a des Substrats 10 sind Elektroden 21 und 22 angeordnet. Die Elektroden können als Interdigitalelektroden mit jeweils fingerförmigen Elektrodenstrukturen ausgebildet sein. Die Elektroden 21 und 22 sind zueinander beabstandet angeordnet und elektrisch voneinander isoliert. Sie können jeweils mit einer Spannungszuführung derart verbunden werden, dass zwischen den Elektroden 21 und 22 eine Spannungsdifferenz anlegbar ist. Damit Gasatome aus der Umgebung des Sensors durch die Elektrode 21 in das Substrat 10 und von dem Substrat 10 durch die Elektrode 22 in die Umgebungsatmosphäre diffundieren können, sind die Elektroden 21 und 22 porös ausgebildet. In der Ausführungsform eines Sauerstoffsensors weisen die Elektroden 21 und 22 Öffnungen beziehungsweise Poren auf, durch die Sauerstoffatome hindurch diffundieren können. Die Elektroden 21, 22 können aus einem Material aus Keramik/Metall aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Elektrode 21 ein Material aus porösem Platin aufweisen.On a side surface S10a of the substrate 10 are electrodes 21 and 22 arranged. The electrodes can be designed as interdigital electrodes with respective finger-shaped electrode structures. The electrodes 21 and 22 are spaced apart and electrically isolated from each other. They can each be connected to a voltage supply such that between the electrodes 21 and 22 a voltage difference can be applied. So that gas atoms from the environment of the sensor through the electrode 21 in the substrate 10 and from the substrate 10 through the electrode 22 can diffuse into the ambient atmosphere, are the electrodes 21 and 22 porous. In the embodiment of an oxygen sensor, the electrodes 21 and 22 Openings or pores, can diffuse through the oxygen atoms. The electrodes 21 . 22 can be constructed of a ceramic / metal material. For example, the electrode 21 a material of porous platinum.

Die Elektroden 21 und 22 sind von einer Diffusionsbarriereschicht 30 abgedeckt. Die Diffusionsbarriereschicht ist auf dem Trägersubstrat 10 und den Elektroden 21 und 22 derart angeordnet, dass die Elektroden vollständig in dem Material der Diffusionsbarriereschicht eingebettet sind. The electrodes 21 and 22 are from a diffusion barrier layer 30 covered. The diffusion barrier layer is on the carrier substrate 10 and the electrodes 21 and 22 arranged such that the electrodes are completely embedded in the material of the diffusion barrier layer.

Zum Zuführen einer Spannung an die Elektroden 21 und 22 kann das Sensorelement eine Spannungsquelle 40 umfassen. Die Spannungsquelle 40 kann derart an die Elektroden 21 und 22 angeschlossen sein, dass die Elektrode 21 als Kathode und die Elektrode 22 als Anode betrieben wird. For supplying a voltage to the electrodes 21 and 22 the sensor element can be a voltage source 40 include. The voltage source 40 can so to the electrodes 21 and 22 be connected to that electrode 21 as the cathode and the electrode 22 is operated as an anode.

Damit Sauerstoffatome an der als Kathode betriebenen Elektrode 21 in das Substrat 10 eindiffundieren können und an der als Anode betriebenen Elektrode 22 aus dem Substrat wieder in die Umgebung diffundieren können, ist auch die Diffusionsbarriereschicht porös ausgebildet, so dass Gasatome, insbesondere Sauerstoffatome, aus der Umgebung des Sensors durch die Diffusionsbarriereschicht diffundieren können. Die Diffusionsbarriereschicht 30 kann auch ganzflächig über dem gesamten Trägersubstrat 10 und den Elektroden 21, 22 porös ausgebildet sein. Zumindest ist der Bereich der Diffusionsbarriereschicht über den Elektroden 21 und 22 porös ausgebildet. Die Diffusionsbarriereschicht 30 kann beispielsweise ein Material aus porösem Zirkoniumdioxid aufweisen. Thus, oxygen atoms on the electrode operated as a cathode 21 in the substrate 10 can diffuse and at the anode operated as an electrode 22 can diffuse back into the environment from the substrate, and the diffusion barrier layer is formed porous, so that gas atoms, in particular oxygen atoms, can diffuse from the environment of the sensor through the diffusion barrier layer. The diffusion barrier layer 30 can also over the entire surface over the entire carrier substrate 10 and the electrodes 21 . 22 be formed porous. At least the area of the diffusion barrier layer is above the electrodes 21 and 22 porous. The diffusion barrier layer 30 may for example comprise a material of porous zirconia.

Zum Schutz der Diffusionsbarriereschicht 30 und der Elektroden 21, 22, insbesondere um ein Verstopfen der Öffnungen beziehungsweise Poren der Diffusionsbarriereschicht 30 und der Elektroden 21, 22 zu verhindern, ist über der Diffusionsbarriereschicht 30 eine Schutzschicht 50 angeordnet. Die Schutzschicht 50 kann beispielsweise ein Material aus Aluminiumdioxid umfassen. To protect the diffusion barrier layer 30 and the electrodes 21 . 22 , in particular to a clogging of the openings or pores of the diffusion barrier layer 30 and the electrodes 21 . 22 is above the diffusion barrier layer 30 a protective layer 50 arranged. The protective layer 50 For example, it may comprise an alumina material.

Auf einer der Seitenfläche S10a gegenüberliegenden Seitenfläche S10b sind eine Schutzschicht 60, ein Heizelement 70 und eine weitere Schutzschicht 80 angeordnet. Die Schutzschicht 60 ist dabei unmittelbar auf der Seitenfläche S10b des Substrats 10 angeordnet. Das Heizelement 70 ist zwischen den beiden Schutzschichten 60 und 80 angeordnet. Die Schutzschicht 60 dient zur Reduzierung eines Übersprechens von dem Heizelement 70 auf das Substrat 10. Sie kann beispielsweise ein Material aus Aluminiumdioxid und Barium enthalten. Die Schutzschicht 80 ist als Schutzschicht zum Schutz der Sensorschichten vor einer Beschädigung durch mechanische oder chemische Einflüsse ausgebildet.On a side surface S10b opposite to the side surface S10a are a protective layer 60 , a heating element 70 and another protective layer 80 arranged. The protective layer 60 is directly on the side surface S10b of the substrate 10 arranged. The heating element 70 is between the two protective layers 60 and 80 arranged. The protective layer 60 serves to reduce crosstalk from the heating element 70 on the substrate 10 , It may, for example, contain a material of aluminum dioxide and barium. The protective layer 80 is designed as a protective layer to protect the sensor layers from damage due to mechanical or chemical influences.

Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform 1 ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform 2 des Sensorbauelements die Diffusionsbarriereschicht 30 ganzflächig über der Elektrode 21 und der Elektrode 22 angeordnet. Das Sensorbauelement 2 ist derart ausgebildet, dass unter der Elektrode 21 ein Sauerstoffgehalt Null (λ = 1) herrscht. Wenn das Sensorbauelement 2 nun in eine sauerstoffhaltige Umgebung eingebracht wird und die Elektrode 21 als Kathode und die Elektrode 22 als Anode betrieben wird, diffundieren Sauerstoffatome 100 aus der Umgebung durch die poröse Schutzschicht 50, die poröse Diffusionsbarriereschicht 30 und die poröse Elektrode 21 aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen der Umgebung und dem Bereich unter der Elektrode 21 beziehungsweise aufgrund des Partialdruckunterschiedes zwischen der Umgebung und dem Bereich unter der Elektrode 21 in das Substrat 10. Unlike the in 1 illustrated embodiment 1 is in the in 2 illustrated embodiment 2 of the sensor device, the diffusion barrier layer 30 over the entire surface over the electrode 21 and the electrode 22 arranged. The sensor component 2 is formed such that under the electrode 21 an oxygen content of zero (λ = 1) prevails. When the sensor device 2 is now placed in an oxygen-containing environment and the electrode 21 as the cathode and the electrode 22 is operated as an anode, diffuse oxygen atoms 100 from the environment through the porous protective layer 50 , the porous diffusion barrier layer 30 and the porous electrode 21 due to the concentration gradient between the environment and the area under the electrode 21 or due to the partial pressure difference between the environment and the area under the electrode 21 in the substrate 10 ,

Beim Diffundieren der Sauerstoffatome durch die Elektrode 21 werden Sauerstoffionen gebildet, wobei die zur Ionisierung der Sauerstoffatome erforderlichen Elektronen von der elektrisch leitfähigen Elektrode 21 geliefert werden. Beim Anlegen einer konstanten Spannung mittels der Spannungsquelle 40 zwischen die Elektroden 21 und 22 bewegen sich die Sauerstoffionen in dem Substrat 10 von der Kathode 21 zur Anode 22. Nach Umwandlung der Sauerstoffionen in Sauerstoffatome an der Anode diffundieren die Sauerstoffatome durch die poröse Anode 22, die Diffusionsbarriereschicht 30 und die darüber angeordnete poröse Schutzschicht 50 wieder in die Umgebung des Sensorbauelements.When diffusing the oxygen atoms through the electrode 21 Oxygen ions are formed, wherein the electrons required for the ionization of the oxygen atoms of the electrically conductive electrode 21 to be delivered. When applying a constant voltage by means of the voltage source 40 between the electrodes 21 and 22 the oxygen ions move in the substrate 10 from the cathode 21 to the anode 22 , After conversion of the oxygen ions into oxygen atoms at the anode, the oxygen atoms diffuse through the porous anode 22 , the diffusion barrier layer 30 and the porous protective layer disposed above 50 back into the environment of the sensor device.

Bei konstant angelegter Spannung an den Elektroden 21 und 22 kann der Diffusionsgrenzstrom, der sich zwischen der Kathode und der Anode ausbildet, gemessen werden. Der gemessene Strom ist bei einem sauerstoffhaltigen Messgas vom Sauerstoffpartialdruck abhängig, so dass durch Messung des Diffusionsstroms auf den Sauerstoffgehalt in der Umgebung geschlossen werden kann. With constantly applied voltage at the electrodes 21 and 22 For example, the diffusion limit current that forms between the cathode and the anode can be measured. The measured current is dependent on the oxygen partial pressure in an oxygen-containing sample gas, so that it can be concluded by measuring the diffusion current on the oxygen content in the environment.

Indem die Diffusionsbarriereschicht über die gesamte Fläche der Elektroden 21 und 22 bedruckt wird, lässt sich die Diffusionsbarriereschicht mit nahezu einheitlicher Schichtdicke über den Elektroden 21 und 22 anordnen. Durch den vollflächigen Druck entfallen Probleme mit Toleranzen und Randpräzision. Tests mit ungedrehter Polarität an vorhandenen Teilen haben gezeigt, dass für die zu erwartenden Pumpströme die Diffusionsbarriere nicht durch Risse beschädigt oder abgesprengt wird. By the diffusion barrier layer over the entire surface of the electrodes 21 and 22 is printed, the diffusion barrier layer with almost uniform layer thickness over the electrodes can be 21 and 22 Arrange. The full-surface printing eliminates problems with tolerances and edge precision. Tests with untwisted polarity on existing parts have shown that for the expected pumping currents the diffusion barrier is not damaged by cracks or blasted off.

Um die Diffusion des Sauerstoffs aus der Anode 22 heraus nicht zu behindern, kann die Fläche der Elektrode 22 größer als die Fläche der Elektrode 21 ausgebildet sein. Wenn die Elektrode 21 und die Elektrode 22 als Interdigitalelektroden mit jeweils fingerförmiger Elektrodenstruktur ausgebildet sind, kann die Fläche der Elektrode 22 gegenüber der Fläche der Elektrode 21 dadurch vergrößert werden, indem die Elektrode 22 mehr fingerförmige Elektrodenstrukturen als die Elektrode 21 aufweist. To the diffusion of oxygen from the anode 22 The surface of the electrode can not obstruct 22 larger than the area of the electrode 21 be educated. When the electrode 21 and the electrode 22 are formed as interdigital electrodes, each having finger-shaped electrode structure, the surface of the electrode 22 opposite the surface of the electrode 21 be increased by the electrode 22 more finger-shaped electrode structures than the electrode 21 having.

3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des Sensors 2 in einer Draufsicht auf das Substrat 10 mit Spannungszuführungen 91 und 92 zu den eigentlichen Elektrodenstrukturen 21 und 22. Die Elektroden 21 und 22 sind als Interdigitalelektroden ausgebildet, wobei die gesamte Fläche der Elektroden 21, 22 mit der Diffusionsschicht bedeckt beziehungsweise bedruckt ist. Die als Anode betriebene Elektrode 22 weist gegenüber der als Kathode betriebenen Elektrode 21 eine größere Fläche auf. 3 shows an example of an embodiment of the sensor 2 in a plan view of the substrate 10 with power supply 91 and 92 to the actual electrode structures 21 and 22 , The electrodes 21 and 22 are formed as interdigital electrodes, wherein the entire surface of the electrodes 21 . 22 is covered or printed with the diffusion layer. The electrode operated as an anode 22 points opposite to the cathode operated electrode 21 a larger area.

Des Weiteren können die fingerförmigen Elektrodenstrukturen der Elektrode 22 breiter als die fingerförmigen Elektrodenstrukturen der Elektrode 21 ausgebildet sein. Aufgrund der großflächigeren Ausbildung der Anode sinkt die Belastung auf die Diffusionsbarriereschicht aufgrund des Sauerstoffdrucks. Furthermore, the finger-shaped electrode structures of the electrode 22 wider than the finger-shaped electrode structures of the electrode 21 be educated. Due to the larger-area design of the anode, the load on the diffusion barrier layer decreases due to the oxygen pressure.

Wenn für die Elektroden 21 und 22 gleiche Elektrodengrößen und eine gleiche Elektrodenanzahl vorgesehen ist, kann durch Umpolen der Elektroden die Drift reduziert werden. Eine solche Drift entsteht unter anderem dadurch, dass Schmutz mit dem Sauerstoff in die Kathodenbarriere eindringt und diese verstopft. Die Spannungsquelle 40 kann derart ausgebildet sein, dass ein positives und negatives Spannungspotential zwischen den Elektroden 21 und 22 umschaltbar ist, so dass die Elektroden 21 und 22 einmal als Kathode und ein anderes Mal als Anode betreibbar sind. Aufgrund der sich dadurch einstellenden umgekehrten Strömungsrichtung der Sauerstoffatome kann der sich in den Öffnungen des porösen Elektrodenmaterials absetzende Schmutz wieder aus den Poren der Elektroden hinausbefördert werden, so dass die porösen Elektrodenstrukturen gereinigt werden.If for the electrodes 21 and 22 the same electrode sizes and a same number of electrodes is provided, the drift can be reduced by reversing the polarity of the electrodes. Among other things, such a drift arises because dirt penetrates into the cathode barrier with the oxygen and clogs it. The voltage source 40 may be formed such that a positive and negative voltage potential between the electrodes 21 and 22 switchable so that the electrodes 21 and 22 once as a cathode and another time as an anode are operable. Owing to the reverse flow direction of the oxygen atoms which thereby sets in, the dirt settling in the openings of the porous electrode material can be conveyed out of the pores of the electrodes again, so that the porous electrode structures are cleaned.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 21, 2: Sauerstoffsensoroxygen sensor
1010: Substratsubstratum
2121: Elektrode/KathodeElectrode / cathode
2222: Elektrode/AnodeElectrode / anode
3030: DiffusionsbarriereschichtDiffusion barrier layer
4040: Spannungsquellevoltage source
5050: Schutzschichtprotective layer
6060: Schutzschichtprotective layer
7070: Heizelementheating element
8080: Schutzschichtprotective layer
91, 9291, 92: Spannungszuführungvoltage supply
100100: Sauerstoffatomeoxygen atoms

Claims

Sensor for detecting a gas content in an environment of the sensor, comprising: - a substrate ( 10 ), - a first electrode ( 21 ) and a second electrode ( 22 ), which are on the substrate ( 10 ), wherein between the first and second electrodes ( 21 . 22 ) a voltage difference can be applied, - wherein the first electrode ( 21 ) and the second electrode ( 22 ) of a diffusion barrier layer ( 30 ) are covered.

Sensor according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer ( 30 ) on the substrate ( 10 ) and on the first and second electrodes ( 21 . 22 ) is arranged such that the first and second electrodes ( 21 . 22 ) into the diffusion barrier layer ( 30 ) are embedded.

Sensor according to one of claims 1 or 2, wherein the second electrode ( 22 ) has a larger area than the first electrode ( 21 ) having.

Sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the first electrode ( 21 ) and the second electrode ( 22 ) on the substrate ( 10 ) are each formed as an interdigital electrode with a finger-shaped electrode structure.

Sensor according to claim 4, wherein the second electrode ( 22 ) a plurality of the finger-shaped electrode structures as the first electrode ( 21 ) having.

Sensor according to one of claims 4 or 5, wherein the finger-shaped electrode structures of the second electrode ( 22 ) wider than the finger-shaped electrode structures of the first electrode ( 21 ) are.

Sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the first and second electrodes ( 21 . 22 ) the voltage difference can be applied in such a way that the first electrode ( 21 ) as the cathode and the second electrode ( 22 ) is operable as an anode.

Sensor according to one of claims 1 to 7, comprising: - a voltage source ( 40 ) for applying the voltage difference to the first and second electrodes ( 21 . 22 ), - the voltage source ( 40 ) is configured such that a first and a second voltage potential, which is generated by the voltage source, can be switched over to the first and second electrodes ( 21 . 22 ) can be applied.

Sensor according to one of claims 1 to 8, wherein the diffusion barrier layer ( 30 ) at least over the first and second electrodes ( 21 . 22 ) is formed so porous that at a concentration difference in an oxygen atmosphere on different sides of the diffusion barrier layer ( 30 ) Oxygen atoms through the first and second electrodes ( 21 . 22 ) diffuse through.

Sensor according to one of claims 1 to 9, - wherein above the diffusion barrier layer ( 30 ) a protective layer ( 50 ), the protective layer ( 50 ) is formed such that the protective layer ( 50 ) clogging of pores of the diffusion barrier layer ( 30 ) inhibits.

Sensor according to claim 10, wherein the protective layer ( 50 ) at least over the first and second electrodes ( 21 . 22 ) is formed so porous that at a concentration difference in an oxygen atmosphere on different sides of the protective layer ( 50 ) Oxygen atoms through the protective layer ( 50 ) diffuse through.