DE102012218216A1

DE102012218216A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102012218216A1
Application number: DE201210218216
Authority: DE
Inventors: Christoph Peters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst einen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer Festelektrolytschicht (14) und mindestens zwei Elektroden (16, 18). Die Elektroden (16, 18) sind durch die Festelektrolytschicht (14) getrennt. Die Festelektrolytschicht (14) weist in einem Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) Zirkoniumdioxid auf, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist. Der Anteil des Yttriumoxids ist mindestens 7,2 mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors mit einem derartigen Sensorelement (10) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Temperaturmessung an der Festelektrolytschicht (14) zwischen den Elektroden (16, 18). Die Temperaturmessung erfolgt über eine Messung eines elektrischen Widerstands der Festelektrolytschicht (14).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Herkömmliche Sensorelemente weisen einen Schichtaufbau mit Elektroden, mindestens einer Festelektrolytschicht, einem Referenzgaskanal und einem Heizelement auf. Die Festelektrolytschicht verbindet die Elektroden. Ein derartiger Schichtaufbau ist beispielsweise in der DE 103 37 573 A1 offenbart. Bei dem dort beschriebenen Sensorelement weist eine innere Festelektrolytschicht einen höheren Anteil an Yttriumoxid bezogen auf das Zirkoniumdioxid als eine äußere Festelektrolytschicht auf, der von 4 mol-% bis 7 mol-% reichen kann.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So werden beispielsweise Lambdasonden mit derartigen Sensorelementen bei Temperaturen von ungefähr 780 °C betrieben. Diese Temperatur ist notwendig, um die thermisch aktivierten elektrochemischen und ionischen Transportmechanismen in der elektrochemischen Zelle des Sensorelements zu gewährleisten. Die Temperaturregelung erfolgt über die Messung des Elektrolytwiderstands in der Nernstzelle. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der ionischen Leitfähigkeit des Elektrolyten ausgenutzt. Der Elektrolytwiderstand steigt jedoch über die Lebensdauer an. Dies führt dazu, dass mehr Heizleistung nötig ist, um einen gewünschten Elektrolytwiderstand einzuregeln. Dadurch wird das Sensorelement mit zunehmender Alterung bei höheren Betriebstemperaturen betrieben. Dies führt zu einem erhöhten Heizspannungsbedarf, der jedoch im Kraftfahrzeugbereich bedingt durch die Batteriespannung begrenzt ist, zu erhöhten Fast-Light-Off-Zeiten und zu ungenauen Kennlinien. Für den Anstieg des Elektrolytwiderstands über die Lebensdauer werden in der Literatur unterschiedliche Gründe angeführt, die auf Materialdiffusion im Elektrolyten zurückzuführen sind. Es wird sowohl eine Migration von Silizium insbesondere an die Korngrenzen des Zirkoniumdioxids diskutiert als auch eine Verschiebung der Kationen, wie beispielsweise Yttriumionen, im Elektrolyten. Diese Verschiebung führt lokal zu einer Phasenumwandlung, wie beispielweise von kubischen Zirkoniumdioxid in tetragonales Zirkoniumdioxid, und somit zu veränderten Transportmechanismen, was sich direkt auf die ionische Leitfähigkeit auswirkt und zu einer Erhöhung des Elektrolytwiderstands führt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere ein alterungsbedingter Anstieg des Elektrolytwiderstands vermieden werden kann.
Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente im Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst einen Schichtaufbau mit mindestens einer Festelektrolytschicht und mindestens zwei Elektroden, wobei die Elektroden durch die Festelektrolytschicht verbunden sind, wobei die Festelektrolytschicht in einem Bereich zwischen den Elektroden Zirkoniumdioxid aufweist, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist, wobei der Anteil des Yttriumoxids mindestens 7,2 mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid ist.
Der Bereich zwischen den Elektroden kann einen Messbereich für einen elektrischen Widerstand der Festelektrolytschicht definieren. Der Anteil des Yttriumoxids kann 8 mol-%, 9 mol-% oder 10 mol-% in dem Bereich zwischen den Elektroden sein. Die Festelektrolytschicht kann in anderen Bereichen als dem Bereich zwischen den Elektroden einen Anteil des Yttriumoxids von weniger als 10 mol-% aufweisen. Der Anteil des Yttriumoxids in den anderen Bereichen der Festelektrolytschicht kann von 3 mol-% bis 4 mol-% sein, wie beispielsweise 3,5 mol-%. Die Elektroden und die Festelektrolytschicht können eine elektrochemische Zelle bilden. Die elektrochemische Zelle kann eine Nernstzelle sein. Die Festelektrolytschicht kann zwischen den Elektroden eine Dicke von 1 µm bis 50 µm aufweisen, beispielsweise 10 µm. Der Anteil des Yttriumoxids in dem Bereich zwischen den Elektroden kann von 7,2 mol-% bis 12 mol-% sein, beispielsweise 8 mol-% oder 10 mol-%.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors mit einem Sensorelement nach den vorstehenden Ausführungen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Temperaturmessung an der Festelektrolytschicht zwischen den Elektroden, wobei die Temperaturmessung über eine Messung eines elektrischen Widerstands der Festelektrolytschicht erfolgt.
Der elektrische Widerstand der Festelektrolytschicht kann bei einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 300 Hz bis 30 kHz, beispielsweise 3 kHz, erfolgen, der an die Elektroden angelegt wird.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.
Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, die Alterung des Zirkoniumdioxids durch eine erhöhte Stabilisierung mit Yttriumoxid zu reduzieren. Dabei wird der erhöhte Anteil an Yttriumoxid gezielt nur in dem Bereich einer Elektrolytwiderstandsmessung eingesetzt. Das mit mindestens 7,2 mol-% Yttriumoxid voll- bzw. überstabilisierte Zirkoniumdioxid ist zwar langzeitstabil bezüglich einer Elektrolytwiderstandsalterung, kann aber eine geringere mechanische Beanspruchbarkeit als das heute mit einem Anteil von üblicherweise 3,5 mol-% Yttriumoxid eingesetzte Zirkoniumdioxid aufweisen. Aus diesem Grund wird es nur am Ort der Elektrolytwiderstandsmessung eingesetzt, da beispielsweise in einer Nernstzelle nur eine geringe mechanische Belastung zu erwarten ist.
Da die ionische Leitfähigkeit von kubischem Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid um ungefähr den Faktor 3 höher ist als von tetragonalem Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid, ist die Geometrie des kubischen Materials an den Zielelektrolytwiderstand anzupassen. Folglich kann zur Erzielung der gleichen Leitfähigkeit weniger kubisches Zirkoniumdioxid benötigt werden als tetragonales Zirkoniumdioxid. Beispielsweise wird das Material des Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxids per Siebdruck zwischen den inneren Pumpelektroden bzw. der Nernstelektrode und der Referenzelektrode aufgebracht. Das Material ist co-sinterfähig, so dass die notwendigen Änderungen im Prozessabgleich gering sind. Die Sinterparameter der Serie müssen nicht geändert werden.
Durch die vorliegende Erfindung lässt sich ein konstanter Heizspannungsbedarf auch über eine zunehmende Alterung des Sensorelements erzielen. Ferner lässt sich eine konstante Fast-Light-Off-Zeit über die Lebensdauer erzielen. Zudem kann die Genauigkeit der Kennlinie erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der 1 schematisch dargestellt sind.
Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher eine Festelektrolytschicht 14 und mindestens zwei Elektroden 16, 18 umfasst. Die Festelektrolytschicht 14 kann aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Die Elektroden 16, 18 werden nachfolgend auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich zu unterscheiden. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch die Festelektrolytschicht miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.
Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von einer Oberfläche der Festelektrolytschicht 14 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. In der Festelektrolytschicht 14 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt, beispielsweise ringförmig. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche der Festelektrolytschicht 14 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 24 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 26 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 26 ist eine Diffusionsbarriere 28 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere lässt sich ein Grenzstrom einer Pumpzelle 30 einstellen. Die Pumpzelle 30 umfasst eine auf der Oberfläche der Festelektrolytschicht 14 angeordnete dritte Elektrode 32, die das Gaszutrittsloch 22 ringförmig umgeben kann und von dem Gasraum beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 34 getrennt sein kann. Ferner umfasst die Pumpzelle 30 eine vierte Elektrode 36, die in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet ist. Die vierte Elektrode 36 kann ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein und rotationssymmetrisch um das Gaszutrittsloch 22 angeordnet sein. Beispielsweise sind die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36 koaxial zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der dritten Elektrode 32 und der vierten Elektrode 36 über die Festelektrolytschicht 14 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs ist ein Heizelement 38 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet.
Ferner umfasst der Schichtaufbau 12 einen Luftreferenzkanal 40. Der Luftreferenzkanal 40 erstreckt sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 in das Innere der Festelektrolytschicht 14. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 22 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 parallel zu einer Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 verläuft. In diesem Fall erstreckt sich der Luftreferenzkanal 40 senkrecht zu der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22. Der Luftreferenzkanal 40 kann sich beispielsweise parallel zu dem Kanal 26 erstrecken. In der Richtung der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 gesehen, befindet sich der Luftreferenzkanal 40 im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe wie das Ende des Gaszutrittslochs 22 im Inneren der Festelektrolytschicht 14. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass der Luftreferenzkanal 40 auch in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 und somit weiter im Inneren der Festelektrolytschicht 14 angeordnet sein kann. Der Luftreferenzkanal 40 muss nicht als makroskopischer Luftreferenzkanal 40 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Luftreferenzkanal 40 als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, das heißt als künstliche Referenz.
Die erste Elektrode 16 ist in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet. Beispielsweise liegt die erste Elektrode 16 der vierten Elektrode 36 gegenüber. Die zweite Elektrode 18 ist in dem Luftreferenzkanal 40 angeordnet. Die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18 und der Teil der Festelektrolytschicht 14 zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 bilden eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle 42. Mittels der Pumpzelle 30 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 30 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 42 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 gemessen wird. Da in dem Luftreferenzkanal 40 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 24 geschlossen werden.
In einem Bereich 44 zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18, der durch eine Ellipse angedeutet ist, umfasst die Festelektrolytschicht 14 Zirkoniumdioxid, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist. Der Anteil des Yttriumoxids ist mindestens 7,2 mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid. Beispielsweise ist der Anteil des Yttriumoxids von 7,2 mol-% bis 12 mol-%, bevorzugt von 7,5 mol-% bis 12 mol-% und noch bevorzugter von 8 mol-% bis 12 mol-%, wie beispielsweise 10 mol-%. Die Festelektrolytschicht 14 weist zwischen den Elektroden 16, 18 eine Dicke von 1 µm bis 50 µm auf, wie beispielsweise 10 µm. Die Dicke ist eine Abmessung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 12 bzw. senkrecht zu der Oberfläche der Elektroden 16, 18. Der Bereich 44 zwischen den Elektroden 16, 18 definiert einen Messbereich für eine Messung eines elektrischen Widerstands der Festelektrolytschicht 14. Die Festelektrolytschicht 14 kann in anderen Bereichen als dem Bereich 44 zwischen den Elektroden einen Anteil des Yttriumoxids von weniger als 10 mol-% aufweisen. Mit anderen Worten wird nur zwischen den Elektroden 16, 18 ein erhöhter Anteil an Yttriumoxid vorgesehen. Der Bereich 44 lässt sich dabei als ein Bereich definieren, über den sich die Elektroden 16, 18 mit der Festelektrolytschicht 14 dazwischen gegenüberliegen. Insbesondere lässt sich der Bereich 44 als derjenige Teil der Festelektrolytschicht 14 definieren, der sich senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden 16, 18 und, da der Luftreferenzkanal 40 senkrecht zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet ist, parallel zu den Oberflächen der Elektroden 16, 18 erstreckt. In dem Fall, in dem Luftreferenzkanal 40 in der Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 angeordnet ist, wird der Bereich 44 als derjenige Teil der Festelektrolytschicht 14 definiert, in dem sich die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 in der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 gesehen überlappen. Wie in der Figur näher gezeigt, kann der Bereich 44 einen Leitungsquerschnitt A der Festelektrolytschicht 14, der eine Fläche senkrecht zu der Oberfläche der Elektroden 16, 18 und senkrecht zu der Zeichenebene der 1 darstellt und von den Elektroden 16, 18 in axialer Richtung bezüglich der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 begrenzt wird, umfassen. Ferner kann der Bereich 44 eine Länge l der Festelektrolytschicht 14 umfassen, die eine Abmessung parallel zu der Oberfläche der Elektroden 16, 18 von der zweiten Elektrode 18 in Richtung zu der ersten Elektrode 16 bis zu dem Ende der Festelektrolytschicht 14 an dem Kanal 26 ist. Herstellungsbedingt kann der Bereich 44 nicht als exaktes Rechteck in der gezeigten Querschnittsansicht ausgebildet sein, weshalb der Bereich 44 als Ellipse in 1 angedeutet ist. Folglich sollen unter den Bereich 44 auch fertigungsbedingte Abweichungen von einer Rechteckform in der gezeigten Querschnittsansicht fallen. Für die nachstehenden Ausführungen zur Berechnung des Widerstands der Festelektrolytschicht 14 bzw. ihre Leitfähigkeit sind derartige Abweichungen jedoch unerheblich.
Wie eingangs erwähnt, steigt der Widerstand der Festelektrolytschicht über die Lebensdauer des Sensorelements 10 an. Dies kann dazu führen, dass mehr Heizleistung erforderlich ist, um einen Sollwiderstand von beispielsweise 3300 Ω einzuregeln. Dadurch wird das Sensorelement 10 bei höheren Betriebstemperaturen betrieben. Der Einfluss der höheren Betriebstemperatur auf die Funktionswerte des Sensors ist stark vom Sensorelementdesign abhängig. Beispielsweise führt ein alterungsbedingter Anstieg des Widerstands von ungefähr 60 Ω zu einer um ungefähr 35 °C höheren Betriebstemperatur im Vergleich zu einem neuwertigen Sensorelement 10. Folglich erhöht sich der Heizspannungsbedarf. Ferner kann sich bei dem genannten Beispiel die Fast-Light-Off-Zeit um ungefähr 0,5 Sekunden erhöhen. Auch die Kennlinie des Sensorelements 10, d.h. der Pumpstrom der Pumpzelle 30, wird ungenauer und umfasst beispielsweise bei einer um ungefähr 100 °C höheren Betriebstemperatur eine Erhöhung des Pumpstroms um ungefähr 4 %.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid in der oben genannten Konzentration in dem Bereich 44 vorgesehen. Das Yttrium-stabilisierte Zirkoniumdioxid kann beispielsweise per Siebdruck in dem Bereich 44 zwischen den Elektroden 16, 18 eingebracht werden. Das Yttriumoxid stabilisierte Zirkoniumdioxid in dem Bereich 44 kann beispielsweise als kubisches Zirkoniumdioxid vorliegen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die ionische Leitfähigkeit von kubischem Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid um ungefähr den Faktor 3 höher ist als von tetragonalem Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid. Die Geometrie des kubischen Materials ist daher an den einzuregelnden Zielwiderstand von beispielsweise 240 Ω oder 300 Ω entsprechend anzupassen. Der Widerstand kann anhand der folgenden Gleichung ermittelt werden: Ri = 1/σ × l/A, wobei Ri gleich der Zielwiderstand, σ gleich die spezifische ionische Leitfähigkeit des eingesetzten Materials, l gleich die Länge der Festelektrolytschicht 14 zwischen den Elektroden 16, 18, A gleich der Leitungsquerschnitt der Festelektrolytschicht 14 zwischen den Elektroden 16, 18 ist.
Das Sensorelement 10 kann beispielsweise in einem Abgassensor, wie beispielsweise einer Lambdasonde oder einem Stickoxidsensor eingebaut sein. Ein derartiger Abgassensor lässt sich beispielsweise derart betreiben, dass eine Temperaturmessung an der Festelektrolytschicht 14 zwischen den Elektroden 16, 18 durchgeführt wird. Die Temperaturmessung erfolgt dabei indirekt über eine Messung eines elektrischen Widerstands der Festelektrolytschicht 14. Beispielsweise wird an die Elektroden 16, 18 ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 300 Hz bis 30 kHz angelegt, beispielsweise von 3 kHz, und der elektrische Widerstand gemessen. Dadurch wird der Elektrodenwiderstand eliminiert, so dass die Messung als Ergebnis den Elektrolytwiderstand liefert. Anhand der obigen Gleichung kann die ionische Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht 14 ermittelt werden. Da die ionische Leitfähigkeit temperaturabhängig ist, kann anhand der ionischen Leitfähigkeit auf die Temperatur geschlossen werden. Die gemessene Temperatur kann dann als Ist-Wert für eine Temperaturregelung des Sensorelements 10 verwendet werden.
Durch eine Materialanalyse im Bereich 44 der Widerstandsmessung kann der erhöhte Anteil des Yttriumoxids nachgewiesen werden. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 kann bei allen Sprung- und Breitbandabgassonden und NO-Stickoxidsensoren eingesetzt werden, da es allgemein bei allen Sensoren einsetzbar ist, bei denen eine Temperaturregelung über eine Messung des Widerstands der Festelektrolytschicht erfolgt. Durch das Vorhandensein der erhöhten Yttriumoxiddotierung in dem Bereich 44 zwischen den Elektroden 16 und 18 wird ein konstanter Heizspannungsbedarf über die Alterung erzielt. Ferner ist die Fast-Light-Off-Zeit über die Alterung konstant. Außerdem wird die Genauigkeit der Kennlinie erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10337573 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]

Claims

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend einen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer Festelektrolytschicht (14) und mindestens zwei Elektroden (16, 18), wobei die Elektroden (16, 18) durch die Festelektrolytschicht (14) miteinander verbunden sind, wobei die Festelektrolytschicht (14) in einem Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) Zirkoniumdioxid aufweist, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist, wobei der Anteil des Yttriumoxids mindestens 7,2 mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) einen Messbereich für einen elektrischen Widerstand der Festelektrolytschicht (14) definiert.
Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) der Anteil des Yttriumoxids 10 mol-% ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zirkoniumdioxid kubisches, mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festelektrolytschicht (14) in anderen Bereichen als dem Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) einen Anteil des Yttriumoxids kleiner 10 mol-% aufweist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Anteil in den anderen Bereichen der Festelektrolytschicht (14) von 3 mol-% bis 4 mol-% ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (16, 18) und die Festelektrolytschicht (14) eine elektrochemische Zelle bilden.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrochemische Zelle eine Nernstzelle (42) ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festelektrolytschicht (14) zwischen den Elektroden (16, 18) eine Dicke von 1 µm bis 50 µm aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Bereich (44) zwischen den Elektroden (16, 18) der Anteil des Yttriumoxids von 8 mol-% bis 12 mol-% ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors mit einem Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Temperaturmessung an der Festelektrolytschicht (14) zwischen den Elektroden (16, 18), wobei die Temperaturmessung über eine Messung eines elektrischen Widerstands der Festelektrolytschicht (14) erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der elektrische Widerstand der Festelektrolytschicht (14) bei einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 300 Hz bis 30 kHz erfolgt, der an die Elektroden (16, 18) angelegt wird.