DE102014226821A1

DE102014226821A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine und Gassensor

Info

Publication number: DE102014226821A1
Application number: DE102014226821.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Nolte; Daniel PANTEL; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-23
Also published as: WO2016102213A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Der Gassensor (100) umfasst ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104) sowie eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112). Die Bodenausnehmung (104) ist durch die Elektrodenlage (106) abgedeckt und bildet mit dieser eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases. Hierbei ist die Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar. Mittels des Verfahrens wird nun ein Partialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer (110) um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112) reduziert, um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer (110) mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen. Wurde der Ausgangszustand hergestellt, so wird in einem weiteren Schritt die Referenzkammer (110) durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112) mit der vorgegebenen Referenzgasmenge befüllt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf einen Gassensor.
Eine Lambdasonde zur Messung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors kann beispielsweise in Dickschichttechnologie als Stäbchensensor aus Keramik realisiert sein.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein entsprechendes Computerprogramm sowie schließlich ein Gassensor gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor ein Bodenelement mit einer Bodenausnehmung und eine Elektrodenlage mit einer Referenzelektrode und einer Messelektrode aufweist,
wobei die Elektrodenlage die Bodenausnehmung abdeckt, um eine Referenzkammer zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode mit dem Referenzgas und die Messelektrode mit dem Abgas beaufschlagbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Reduzieren eines Partialdrucks des Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen; und
Befüllen der Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, wenn im Schritt des Reduzierens der Ausgangszustand hergestellt wurde.
Unter einem Abgas kann ein bei einem Verbrennungsprozess in der Verbrennungskraftmaschine anfallendes, nicht mehr nutzbares Gasgemisch verstanden werden. Unter einer Verbrennungskraftmaschine kann eine Wärmekraftmaschine wie etwa ein Verbrennungsmotor oder eine Strömungsmaschine verstanden werden. Das Bodenelement kann beispielsweise als eine Lage aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere einem Halbleitermaterial, realisiert sein. Unter einer Bodenausnehmung kann eine Vertiefung oder eine durchgehende Öffnung in dem Bodenelement verstanden werden. Die Elektrodenlage kann ein Lagenverbund aus der Referenzelektrode und der Messelektrode sein. Beispielsweise kann die Elektrodenlage zusätzlich einen zumindest im Bereich der Bodenausnehmung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angeordneten Elektrolyten, insbesondere einen Festkörperelektrolyten, aufweisen. Die Messelektrode kann zumindest teilweise mit einer Außenumgebung des Gassensors Kontakt haben, um mit dem Abgas beaufschlagt zu werden. Die Referenzelektrode kann zumindest im Bereich der Bodenausnehmung dem Bodenelement gegenüberliegend angeordnet sein, um mit dem Referenzgas beaufschlagt zu werden. Unter einem Referenzgas kann ein Gas oder Gasgemisch verstanden werden, das in einer bestimmten Konzentration in der Referenzkammer vorgehalten werden kann und als Referenz zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases oder Gasgemischs in dem Abgas dienen kann. Beispielsweise kann das Referenzgas in die Referenzkammer eingeleitet werden oder elektrochemisch mittels der Elektrodenlage hergestellt werden. Zum Reduzieren des Partialdrucks im Schritt des Reduzierens und Befüllen der Referenzkammer im Schritt des Befüllens kann die Elektrodenlage durch Anlegen einer entsprechenden Spannung als elektrochemische Pumpe betrieben werden. Beispielsweise kann die erste Spannung angelegt werden, um Referenzgas von der Referenzkammer durch die Elektrodenlage in die Außenumgebung des Gassensors zu pumpen und so einen Partialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer um beispielsweise eine, fünf oder zehn Größenordnungen zu reduzieren. Entsprechend kann die zweite Spannung angelegt werden, um eine im Schritt des Reduzierens erzeugte Pumprichtung umzukehren, sodass Referenzgas von der Außenumgebung über die Elektrodenlage in die Referenzkammer diffundiert. Die zweite Spannung kann so lange angelegt werden, bis eine vorgegebene Referenzgasmenge in die Referenzkammer geströmt ist. Die Referenzgasmenge kann beispielsweise als Ladungsmenge Q in Abhängigkeit von einem Volumen der Referenzkammer und einem zu erreichenden Referenzpartialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer vorgegeben sein.
Der hier vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einen Gaspeicher zum Speichern eines Referenzgases in einem Gassensor unabhängig von einer aktuellen Referenzgaskonzentration in dem Gasspeicher mit einer definierten Menge an Referenzgas zu befüllen, indem eine Konzentration des Referenzgases in dem Gasspeicher vor dem Befüllen elektrochemisch reduziert wird.
Ein Referenzvolumen, auch Referenzspeicher oder -kammer genannt, kann einmalig mit einer Referenz wie beispielsweise Sauerstoff gefüllt werden, etwa beim Verschließen des Volumens während der Herstellung. Über die Lebensdauer des Sensors können jedoch geringste Mengen der Referenz aus dem Referenzspeicher entweichen. Beispielsweise würde ein Verlust von Sauerstoff nach der Formel U_Nernst ~ log(p_{O2 Messgas}/p_{O2 Referenzgas}) eine kleinere Messspannung erzeugen, wodurch ein Sauerstoffpartialdruck im Messgas als zu groß eingeschätzt würde. Ein solcher Verlust kann zum einen auf eine Undichtigkeit eines als Referenzspeicher dienenden Hohlraums im Sensor zurückgehen, sodass Sauerstoff mit kleinsten Leckraten austreten kann oder Sauerstoff verzehrende Fettgaskomponenten eintreten können. Zum anderen kann es bei einer Spannungsmessung zwischen Referenz- und Messelektrode zu kleinsten Stromflüssen und somit zum Transport von Sauerstoff durch den Elektrolyten kommen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft nun ein Verfahren, durch das ein abgeschlossener Referenzgasspeicher reproduzierbar mit Referenzgas befüllt werden kann, um eine gleichbleibende, ausreichende Füllung des Speichers zu gewährleisten. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren eine korrekte Befüllung des Speichers, ohne dass ein Partialdruck des Referenzgases im Speicher oder in einem Messgas bekannt sein muss.
Zur Durchführung des Verfahrens kann die Elektrodenlage als elektrochemische Pumpe eingesetzt werden. Indem die Elektroden der Elektrodenlage nicht laufend, sondern nur gelegentlich auf Pumpbetrieb umgeschaltet werden, werden die Elektroden weniger beansprucht, wodurch eine besonders hohe Langzeitstabilität gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Reduzierens spannungsgesteuert durchgeführt werden. Dabei kann die erste Spannung ein steuernder Parameter und der Partialdruck ein gesteuerter Parameter sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Befüllens stromgesteuert durchgeführt werden. Beispielsweise kann im Schritt des Reduzierens ein bei Anliegen der ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließender Strom erfasst werden. Der Ausgangszustand kann dann hergestellt sein, wenn der Strom einer vorgegebenen Stromschwelle entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Stromintervalls liegt.
Entsprechend kann im Schritt des Befüllens ein bei Anliegen der zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließender Strom der steuernde Parameter und das Referenzgas der gesteuerte Parameter sein. Beispielsweise kann im Schritt des Befüllens ein Stromverlauf des zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließenden Stroms erfasst werden, um eine in die Referenzkammer fließende Ladungsmenge zu ermitteln. In einem optionalen Schritt des Unterbrechens kann die zweite Spannung zumindest zeitweise unterbrochen werden, wenn die in die Referenzkammer fließende Ladungsmenge einer der Referenzgasmenge zugeordneten Referenzladungsmenge entspricht.
Auf diese Weise kann das Referenzgas mit geringem Messaufwand kontrolliert aus der Referenzkammer abgepumpt oder in die Referenzkammer hineingepumpt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Reduzierens die erste Spannung über eine vorgegebene Zeitspanne angelegt wird, um den Ausgangszustand herzustellen. Beispielsweise kann die Zeitspanne einmalig experimentell ermittelt werden. Eine zeitgesteuerte Reduzierung des Partialdrucks hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Strommessung zur Ermittlung einer aus der Referenzkammer gepumpten Referenzgasmenge verzichtet werden kann.
Um einen konstanten Füllstand in der Referenzkammer zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn nachfolgend auf den Schritt des Befüllens die Schritte des Reduzierens und Befüllens zumindest einmal (beispielsweise zyklisch) wiederholt werden, beispielsweise in festen Zeitintervallen wie einmal pro Woche oder einmal pro Monat.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Schließlich schafft der hier beschriebene Ansatz einen Gassensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor folgende Merkmale aufweist:
ein Bodenelement mit einer Bodenausnehmung; und
eine Elektrodenlage mit einer Referenzelektrode und einer Messelektrode, wobei die Elektrodenlage die Bodenausnehmung abdeckt, um eine Referenzkammer zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode mit dem Referenzgas und die Messelektrode mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Besonders vorteilhaft ist ein Gassensor, der auch eine Vorrichtung gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform aufweist.
Bei dem Gassensor kann es sich beispielsweise um einen mikrostrukturierten Sauerstoffsensor mit selbst geschaffenem Referenzgas handeln, der in Dünnschichttechnologie als elektrochemischer Chip hergestellt sein kann. Dadurch können ein Platzbedarf sowie eine zum Aufheizen des Gassensors erforderliche Heizleistung reduziert werden. Beispielsweise kann der Gassensor eine dünne Membran als Elektrodenlage aufweisen, die mechanisch derart stabilisiert sein kann, dass sie Druckunterschieden zwischen Abgas und Referenzgas, Druckpulsen und Schwingungen standhält.
Beispielsweise kann der Gassensor einen mikrostrukturierten Träger als Bodenelement aufweisen, in dem die Messelektrode, ein dünner Elektrolytfilm und die Referenzelektrode angeordnet sind. Unterhalb der Messelektrode kann die Bodenaussparung angeordnet sein, die als Hohlraum zum Speichern des Referenzgases und je nach Ausführungsform zusätzlich als Überdruckdrossel dienen kann.
Der Gassensor kann ausgebildet sein, um das Referenzgas, etwa Sauerstoff, mittels der Elektrodenlage laufend in der Referenzkammer zu erzeugen. Dies ermöglicht eine laufende Bewertung einer an der Elektrodenlage anliegenden Spannung, die wiederum ein Maß für einen zu messenden Sauerstoffgehalt im Abgas darstellt. Zur Regenerierung des Sauerstoffspeichers können gelegentliche Regenerierungsphasen vorgesehen sein. Optional ist eine Füllung der als Sauerstoffspeicher fungierenden Aussparung unterhalb der Referenzelektrode mit einem niedrig porösen Material vorgesehen, beispielsweise mit Aluminiumoxid. Durch das Material entsteht in Verbindung mit einem elektrochemischen Pumpbetrieb des Gassensors, bei dem Sauerstoff zwischen der Referenzkammer und der Außenumgebung des Gassensors gepumpt wird, ein Sauerstoffreservoir in der Referenzkammer. Durch den Austritt von Sauerstoff über die Teilabschnitte ist gewährleistet, dass sich kein kritischer Überdruck bildet.
Dadurch, dass das Referenzgas durch den Gassensor bereitgestellt wird und somit keine echte Referenzluft erforderlich ist, kann der Gassensor vollständig im Messgas platziert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Elektrodenlage gemäß einer Ausführungsform einen Elektrolyten aufweist. Die Referenzelektrode, die Messelektrode und der Elektrolyt können zumindest im Bereich der Bodenausnehmung einander gegenüberliegend angeordnet sein. Dabei kann der Elektrolyt zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angeordnet sein und die Referenzelektrode der Bodenausnehmung zugewandt sein. Dazu kann die Elektrodenlage beispielsweise als Lagenverbund aus der Referenzelektrode, der Messelektrode und dem Elektrolyten realisiert sein. Dadurch kann die Elektrodenlage bei geringem Materialaufwand ausreichend stabil ausgeführt werden. Gleichzeitig kann dadurch ein Platzbedarf des Gassensors reduziert werden.
Die Referenzkammer kann zumindest teilweise mit einem Absorptions- oder Speichermaterial zum Absorbieren und/oder Speichern des Referenzgases gefüllt sein. Bei dem Absorptions- oder Speichermaterial kann es sich beispielsweise um ein schwach poröses Metalloxid handeln. Mithilfe des Absorptions- oder Speichermaterials kann ein Referenzgasverlust in der Referenzkammer, wie er etwa bei Undichtigkeit der Referenzkammer auftreten kann, reduziert werden.
Der Gassensor kann mit einem Deckelelement vorgesehen sein, das auf einer der Elektrodenlage gegenüberliegenden Seite des Bodenelements angeordnet sein kann, um die Bodenausnehmung abzudecken. Insbesondere kann zumindest ein Teilabschnitt der Referenzelektrode zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement angeordnet sein. Dabei kann ein erstes Ende des Teilabschnitts mit einer Außenumgebung des Gassensors und ein zweites Ende des Teilabschnitts mit der Referenzkammer Kontakt haben. Bei dem Deckelelement kann es sich analog zum Bodenelement um eine Lage aus einem hitzebeständigen Material, etwa einem Halbleitermaterial, handeln. Das Deckelelement kann etwa ein als Unterlage für das Bodenelement dienender Chipträger sein. Durch den Teilabschnitt wird ein Gasaustausch zwischen der Referenzkammer und der Außenumgebung ermöglicht. Dadurch kann verhindert werden, dass sich ein Überdruck in der Referenzkammer bildet.
Je nach Ausführungsform kann die Referenzelektrode ausgeformt sein, um zusätzlich oder alternativ zumindest einen Teilbereich einer durch das Bodenelement gebildeten Wandinnenfläche der Referenzkammer zu überdecken.
Der Gassensor kann ferner einen Referenzelektrodenkontakt aufweisen, der ausgebildet sein kann, um den Teilabschnitt mit einer dem Teilabschnitt gegenüberliegenden Seite des Bodenelements elektrisch leitfähig zu verbinden. Beispielsweise kann der Referenzelektrodenkontakt als metallischer Durchkontakt realisiert sein. Die dem Teilabschnitt gegenüberliegende Seite kann eine die Elektrodenlage aufweisende Seite des Bodenelements sein. Mithilfe des Referenzelektrodenkontakts können die Referenzelektrode und die Messelektrode je von der gleichen Seite des Bodenelements elektrisch kontaktiert werden.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn der Gassensor einen Messelektrodenkontakt aufweist, der ausgebildet ist, um die Messelektrode mit einer der Messelektrode gegenüberliegenden Seite des Bodenelements elektrisch leitfähig zu verbinden. Analog zum Referenzelektrodenkontakt kann es sich bei dem Messelektrodenkontakt um einen metallischen Durchkontakt handeln. Bei der der Messelektrode gegenüberliegenden Seite kann es sich etwa um eine den Teilabschnitt aufweisende Seite des Bodenelements handeln. Mittels des Messelektrodenkontakts können der Teilabschnitt der Referenzelektrode und die Messelektrode je von der gleichen Seite des Bodenelements elektrisch kontaktiert werden.
Das Bodenelement kann zumindest einen Kanal aufweisen, der die Referenzkammer mit einer äußeren Umgebung des Gassensors fluidisch koppelt. Auch durch diese Ausführungsform kann mit geringem Fertigungsaufwand verhindert werden, dass sich in der Referenzkammer ein Überdruck aufbaut.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a, 3b schematische Darstellungen eines Gassensors gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a, 5b schematische Darstellungen eines Gassensors gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Umschalten zwischen einem Messbetrieb und einem Pumpbetrieb eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen eines Partialdrucks in einer Referenzkammer eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer vorgegebenen Referenzgasmenge zur Speicherung in einem Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Bodenelement 102 mit einer Bodenausnehmung 104, die hier als eine durchgehende Öffnung in dem Bodenelement 102 ausgeführt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bodenausnehmung 104 einerseits durch eine Elektrodenlage 106, andererseits durch einen Chipträger als Deckelelement 108 abgedeckt, sodass sich ein Hohlraum ergibt, der als Referenzkammer 110 zum Aufnehmen eines Referenzgases dient.
Die Elektrodenlage 106 ist als ein Lagenverbund aus einer Messelektrode 112, einer Referenzelektrode 114 sowie einem zwischen den Elektroden 112, 114 angeordneten Elektrolyten 116 realisiert. Dabei ist die Referenzelektrode 114 dem Bodenelement 102 im Bereich der Bodenausnehmung 104 gegenüberliegend angeordnet. Die Messelektrode 112 bildet eine der Referenzelektrode 114 gegenüberliegende Außenseite der Elektrodenlage 106 und hat somit Kontakt mit einer das Abgas enthaltenden Außenumgebung des Gassensors 100. Im Bereich der Bodenausnehmung 104 sind die beiden Elektroden 114, 112 und der Elektrolyt 116 einander gegenüberliegend angeordnet, d. h., die beiden Elektroden 114, 112 berühren im Bereich der Bodenausnehmung 104 jeweils zumindest abschnittsweise den zwischen ihnen angeordneten Elektrolyten 116. Beispielhaft sind die Messelektrode 112 und der Elektrolyt 116 in 1 über eine gesamte Breite des Bodenelements 102 im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnet.
Im Unterschied zur Messelektrode 112 ist die Referenzelektrode 114 mit zwei Teilabschnitten 118 ausgeformt, die je entlang einer von der Elektrodenlage 106 abgewandten Oberfläche des Bodenelements 102 zwischen dem Deckelelement 108 und dem Bodenelement 102 verlaufen. Zwischen den Teilabschnitten 118 ist die Bodenausnehmung 104 angeordnet. Dabei hat je ein erstes Ende 122 der beiden Teilabschnitte 118 Kontakt zur Außenumgebung des Gassensors 100 und je ein zweites Ende 124 der beiden Teilabschnitte 118 Kontakt zur Referenzkammer 110. Mittels der Teilabschnitte 118 wird beispielsweise ein Gasaustausch zwischen der Referenzkammer 110 und der Außenumgebung ermöglicht. Die Teilabschnitte 118 können zusätzlich oder alternativ zur elektrischen Kontaktierung der Referenzelektrode 114 dienen.
Die zweiten Enden 124 sind je über einen Verbindungsabschnitt 126 der Referenzelektrode 114 mit einem angrenzend an den Elektrolyten 106 verlaufenden Elektrolytabschnitt 128 der Referenzelektrode 114 elektrisch leitfähig verbunden. Die beiden Verbindungsabschnitte 126 verlaufen je entlang einer durch das Bodenelement 102 gebildeten Wandinnenfläche der Referenzkammer 110, sodass diese die Wandinnenfläche zumindest teilweise überdecken.
Die Teilabschnitte 118 können je durch eine Schutzschicht, etwa einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolation, von dem Bodenelement 102 isoliert sein. Ebenso kann ein auf dem Bodenelement 102 aufliegender Bereich des Elektrolyten 116 durch eine derartige Schutzschicht von dem Bodenelement 102 isoliert sein.
Ferner ist die Referenzkammer 110 mit einem optionalen Absorptions- oder Speichermaterial 130 gefüllt, das zur Absorption oder Speicherung des Referenzgases dient.
Lediglich beispielhaft weist die Bodenausnehmung 104 einen sich in Richtung der Elektrodenlage 106 verjüngenden Querschnitt auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Gassensor 100 als Sauerstoffsensor mit abgeschlossenem Referenzgasvolumen ausgebildet. Nachfolgend werden ein Aufbau und eine Betriebsweise eines derartigen Gassensors 100 beschrieben. Ein das Referenzgasvolumen fassender Hohlraum 110 in dem Gassensor 100 ist beispielsweise auf Basis von Dünnschichtelektrolyten realisiert. Der Gassensor 100 eignet sich beispielsweise als (Sprung-)Lambdasonde für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Ottomotoren, als stromsparender Sauerstoffsensor in Handheld-Elektronik, Heizanlagen oder Gasthermen.
Der Gassensor 100 ist mit einer elektrochemischen Pumpzelle ausgeführt, die die Messelektrode 112, einen Sauerstoffionenleiter als Elektrolyten 116, der insbesondere mittels Dünnschichttechnologie hergestellt ist, und die Referenzelektrode 114 umfasst. Um die Referenzelektrode 114 befindet sich der Hohlraum 110, der gasdicht abgeschlossen und von einem Messgas, etwa dem Abgas, getrennt ist.
Die Betriebsweise des Gassensors 100 beruht auf einer gelegentlichen definierten Befüllung des Referenzhohlraums 110. Hiermit kann ohne Kenntnis einer Messgaszusammensetzung und eines tatsächlichen Füllstands der Referenzkammer 110 ein neuer, reproduzierbarer Füllstand in der Referenzkammer 110 hergestellt werden, der als Referenz für eine Sauerstoffmessung dient.
Zunächst wird eine spannungsgeführte Leerung der Referenzkammer 100 durchgeführt. Dabei wird eine Spannung zwischen Messelektrode 112 und Referenzelektrode 114 angelegt, bei der Sauerstoff aus dem Hohlraum 110 auf die Seite des Messgases gepumpt wird.
Anschließend wird eine stromgeführte Befüllung durchgeführt. Nach der Leerung wird eine Richtung des elektrochemischen Pumpens umgekehrt. Die Referenzkammer 110 wird über ein Stromprofil I(t) so befüllt, dass eine integrierte Ladung einer vorgegebenen, äquivalenten Menge Sauerstoff entspricht. In das Integral können optional Korrekturen von Leckströmen eingefügt sein.
Nach der Befüllung wird die Spannung zwischen Messelelektrode 112 und Referenzelektrode 114 nach dem bekannten Prinzip eines Nernst-Sensors zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration im Messgas verwendet.
Die vorzugsweise aus Platin, Platinlegierungen oder sonstigen Platinmetallen, gegebenenfalls als Cermet-Struktur oder Perowskite, gefertigte Referenzelektrode 114 ist so gestaltet, dass sie eine elektrochemische Ausbaureaktion von Sauerstoff aus dem Elektrolyten 116 ermöglicht, aber selbst eine äußerst geringe Porosität aufweist. Somit kann auf eine Abdeckung mit Fremdmaterial zur Speicherung von Sauerstoff verzichtet werden.
Optional ist auf der beispielsweise aus Platin gefertigten Messelektrode 112 eine zusätzliche Schutzschicht deponiert.
Ein Referenzpumpstrom durch die Elektrodenlage 106 und Diffusionsströme von zwischen Referenzkammer 110 und Außenumgebung durch die Teilabschnitte 118 diffundierendem Sauerstoff bzw. Abgas sind je mit Pfeilen markiert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 entspricht dem anhand von 1 beschriebenen Gassensor, mit dem Unterschied, dass das Bodenelement 102 beispielhaft zwei Kanäle 200 aufweist, die die Referenzkammer 110 jeweils fluidisch mit der Außenumgebung des Gassensors 100 verbinden. Beispielhaft verlaufen die Kanäle 200 je entlang eines der beiden Teilabschnitte 118, 120 der Referenzelektrode 114.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die erwünschte Wirkung, Sauerstoff beschränkt entweichen zu lassen, durch vorab strukturierte Luftauslasskanäle 200 erzielt. Dabei ist eine Unterseite des Hohlraums 110 entweder durch den Chipträger 108 oder durch einen in 2 nicht eingezeichneten zusätzlichen Verschlussdeckel gebildet.
Je nach Ausführungsform ist die Aussparung 104 durch einen eigenen Deckel oder einen zur Befestigung des Gassensors 100 dienenden Halter, hier den Chipträger 108, abgeschlossen. Dadurch ergibt sich die als Speicher fungierende Referenzkammer 110. Die zusätzlichen Auslasskanäle 200 sind beispielsweise durch Mikrostrukturierung in den Chip eingefügt. Durch die Auslasskanäle 200 kann der Chip mit einer Überdruckdrosselfunktion realisiert werden.
Damit die Chipkontaktierung von einer Seite erfolgen kann, können die Elektroden 112, 114 über eine Durchführung durch den Trägerchip, d. h. das Bodenelement 102, auf eine jeweils gegenüberliegende Seite mit einem Kontaktpad verknüpft sein, wie nachfolgend anhand der 3a und 3b näher erläutert.
Die 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen eines Gassensors 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Bei dem Gassensor 100 handelt es sich beispielsweise um einen anhand der 1 und 2 beschriebenen Gassensor. Im Unterschied zu den 1 und 2 ist der Gassensor 100 hier ohne das Deckelelement dargestellt.
In 3a weist der Gassensor 100 einen Referenzelektrodenkontakt 300 auf, hier einen Durchkontakt, der einen der beiden Teilabschnitte 118 der Referenzelektrode 114 elektrisch leitfähig mit einer dem Teilabschnitt 118 gegenüberliegenden Seite des Bodenelements 102, auf der auch die Messelektrode 112 angeordnet ist, elektrisch leitfähig verbindet. Dabei ragt ein freies Ende 302 des Referenzelektrodenkontakts 300 neben der Elektrodenlage 106 aus dem Bodenelement 102 hervor. Das freie Ende 302 kann beispielsweise als Kontaktpad ausgeformt sein.
In 3b weist der Gassensor 100 statt des Referenzelektrodenkontakts 300 einen Messelektrodenkontakt 304 in Form eines Durchkontakts auf, der die Messelektrode 112 mit einer der Messelektrode 112 gegenüberliegenden Seite des Bodenelements 102 elektrisch leitfähig verbindet. Lediglich beispielhaft ragt ein als Kontaktpad ausgeformtes freies Ende 306 des Messelektrodenkontakts 304 an einer Stelle aus dem Bodenelement 102 hervor, an der in 3a der über den Referenzelektrodenkontakt 300 kontaktierbare Teilabschnitt 118 angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 112, 114 auf verschiedenen Seiten des Gassensors 100 angeordnet. Für eine spätere elektrische Kontaktierung ist es vorteilhaft, wenn sich die Kontaktpads auf der gleichen Seite befinden. Es kann deshalb eine Durchführung 300 der Referenzelektrode 114 auf eine Oberseite des Chips 100 eingebaut sein, wie in 3a gezeigt, oder umgekehrt eine Durchführung 304 der Messelektrode 112 zu einer Unterseite des Chips 100, wie in 3b gezeigt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Gassensor, mit dem Unterschied, dass der Gassensor 100 kein Deckelelement aufweist.
Ein Überlappungsbereich, in dem sich der Elektrolytabschnitt 128 der Referenzelektrode 114 und der Elektrolyt 106 überlappen, ist mit einem Kreis markiert. Des Weiteren sind Bereiche der Referenzelektrode 114 markiert, die zumindest teilweise ausgespart sein können. Diese Bereiche können beispielsweise die Teilabschnitte 118 und die Verbindungsabschnitte 126 sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bodenelement 102 eine durchgehende Metallisierung aufweisen. Zur Vereinfachung der Prozesse erfolgt die Metallisierung beispielsweise ohne Strukturierung. Die Metallisierung kann in den markierten Bereichen teilweise auch ausgespart sein. Wichtig ist die weiter oben als Elektrolytabschnitt 128 bezeichnete Kontaktfläche zwischen Referenzelektrode 114 und Elektrolyten 116 sowie die elektrische Kontaktierung.
Aus prozesstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Elektrodenflächen vollflächig ausgeführt sind und über einen Bereich des Elektrolyten 116 herausragen. Die Elektroden 112, 114 und der Elektrolytbereich können aber auch strukturiert und teilweise ausgespart sein. Dies ist am Beispiel der Referenzelektrode 114 in 4 dargestellt. Wie erwähnt, ist es wichtig, dass die Referenzelektrode 114 Kontakt zum Festkörperelektrolyten 116 hat und eine leitfähige Bahn für die elektrische Kontaktierung vorhanden ist. Einige Bereiche können auch ausgespart sein. Dabei kann ein Zuleitungsbereich aus einem anderen Material als die Referenzelektrode 114 realisiert sein, beispielsweise einem anderen Metall mit geringerer Porosität.
Die Messelektrode 112 kann mit einer hochporösen Abdeckschicht abgedeckt sein und, zusätzlich oder alternativ, katalytisches Material oder Gettermaterial aufweisen. Dadurch wird eine Funktionsbeeinträchtigung der Messelektrode 112 durch Ablagerungen aus dem Messgas verhindert.
Alternativ kann der Chip auch derart auf dem Chipträger 108 befestigt sein, dass die Messelektrode 112 dem Chipträger 108 zugewandt ist. Zwischen Messelektrode 112 und Chipträger 108 kann beispielsweise ein Spalt freigelassen sein, um einen Gaszutritt zur Messelektrode 112 zu gewährleisten.
Optional ist der Gassensor 100 mit einem Heizer ausgeführt. Bei einer planparallelen Elektrodenanordnung ist der Sauerstoffleitpfad durch den Elektrolyten 116 verhältnismäßig kurz. Zur Temperaturregelung kann deshalb ein Heizer verwendet werden, dessen elektrischer Widerstand stark temperaturabhängig ist. Dies kann sich gegenüber einer Regelung auf einen Innenwiderstand des Elektrolyten 116 als günstig erweisen.
Als Trägermaterial kann beispielsweise ein Halbleiter verwendet werden, was insbesondere bei der Realisierung der strukturierten Luftauslasskanäle von Vorteil sein kann. Dabei kann der Heizer über eine geeignete lokalisierte Dotierung in den Halbleiterträger integriert sein. Dieser Dotierungsbereich sollte möglichst nah an dem Elektrolyten 116 angeordnet sein, um eine Wärmeübertragung auf den Elektrolyten 116 zu ermöglichen.
Die 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen eines Gassensors 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. in den 5a und 5b sind mögliche Ausführungsformen des Gassensors 100 mit einem als Referenzkammer 110 fungierenden geschlossenen Hohlraum dargestellt. Im Unterschied zu den 1 bis 4 weist der Gassensor 100 lediglich einen entlang des Deckelelements 108 verlaufenden Teilabschnitt 118 auf, der beispielsweise als Elektrodenzuleitung dient. Ein elektrischer Kontakt zur Kontaktierung der Referenzelektrode 114 kann beispielsweise seitlich aus dem Bodenelement 102 hinausgeführt sein, wie in 5a gezeigt. Alternativ kann der elektrische Kontakt mithilfe einer Durchkontaktierung auf eine dem Deckelelement 108 gegenüberliegende Oberseite des Gassensors 100 geführt sein, wie in 5b gezeigt.
In 5b ist der Teilabschnitt 118 gegenüber dem in 5a gezeigten Teilabschnitt beispielhaft stark verkürzt dargestellt. Der Teilabschnitt 118 ist über eine sowohl durch das Bodenelement 102 als auch durch den Elektrolyten 116 durchgeführte Elektrodenzuleitung als Referenzelektrodenkontakt 300 elektrisch kontaktierbar. Das als Kontaktpad ausgeformte freie Ende 302 des Referenzelektrodenkontakts 300 liegt dabei auf einer von dem Bodenelement 102 abgewandten Oberfläche des Elektrolyten 116 auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein grundlegender Aufbau des Gassensors 100 die Messelektrode 112, einen Dünnschichtelektrolyten 116, die Referenzelektrode 114, einen abgeschlossenen Hohlraum 110 sowie eine Zuleitung für die Referenzelektrode 114 in den Hohlraum 110.
Auf den Gassensor 100 ist eine weitere Platte als Deckelelement 108 aufgebracht. Beispielsweise kann der Gassensor 100 prozesstechnisch durch Anfügen eines weiteren Siliziumplättchens verschlossen werden, das somit eine Unterseite des Gassensors 100 bildet.
Das angefügte Plättchen kann strukturiert sein, um ein Gasvolumen des Hohlraums 110 zu beeinflussen. Optional ist ein Unterteil in Form des Deckelelements 108 aus dem gleichen Material wie ein Oberteil in Form des Bodenelements 102 hergestellt, etwa aus Silizium, Siliziumcarbid oder Fotouranglas.
Die Zuleitung der Referenzelektrode 114 kann seitlich aus einem Schichtsystem des Gassensors 100 herausragen, wie beispielhaft in 5a dargestellt. Die Auslegung der Schichtdicken für Zuleitung, Chipoberseite und Chipunterseite sollte derart gewählt sein, dass die Schichten möglichst bündig aufeinanderliegen, um eine Gasdichtheit des Sensors 100 zu gewährleisten.
Alternativ ist der Gassensor 100 mit einer Durchkontaktierung der Zuleitung realisiert, sodass sich unmittelbar auf den zu verschließenden Flächen kein Metall befindet, wie in 5b gezeigt.
Wie bereits weiter oben beschrieben, kann der Gassensor 100 ein Heizelement umfassen, das gegenüber den beiden Elektroden 112, 114 und dem als Sauerstoffionenleiter fungierenden Elektrolyten 116 elektrisch isoliert ist. Der Heizer kann beispielsweise als eine um einen äußeren Rand des Elektrolyten 116 verlegte Heizwindung ausgestaltet sein. Alternativ kann der Heizer an der Unterseite des Gassensors 100 angebracht sein.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mittels des Verfahrens 600 kann beispielsweise ein Gassensor, wie er vorangehend anhand der 1 bis 5b beschrieben ist, betrieben werden. In einem ersten Verfahrensschritt 602 wird ein Partialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung reduziert, indem eine erste Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angelegt wird. Durch das Anlegen der ersten Spannung wird die Elektrodenlage als elektrochemische Pumpe betrieben, um Referenzgases aus der Referenzkammer abzupumpen und somit einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen. Ist der Ausgangszustand hergestellt, so wird in einem weiteren Verfahrensschritt 604 eine zweite Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angelegt. Durch Anlegen der zweiten Spannung wird eine Pumprichtung in der Elektrodenlage umgekehrt, sodass nun das Referenzgas von einer Außenumgebung des Gassensors in die Referenzkammer gepumpt wird, bis die Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge befüllt ist.
Beispielsweise kann in einem normalen Messmodus des Gassensors eine zwischen der Messelektrode und Referenzelektrode anliegende Spannung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration verwendet werden. Dabei sollte die Referenzkammer gelegentlich neu befüllt werden. Die Befüllung kann beispielsweise in festen Zeitintervallen, etwa einmal im Monat, oder nach sonstigen Kriterien erfolgen, die eine nicht mehr ausreichende Befüllung anzeigen. Nach der definierten Befüllung kann der übliche Messbetrieb wieder fortgesetzt werden, wie nachfolgend anhand von 7 erläutert.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Umschalten zwischen einem Messbetrieb und einem Pumpbetrieb eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 702 befindet sich der Gassensor, etwa ein anhand von 1 bis 6 beschriebener Gassensor, in einem Messmodus, in dem eine Spannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode gemessen wird. In Abhängigkeit von dieser Spannung kann eine Konzentration des Referenzgases in dem Abgas ermittelt werden. In einem Schritt 704 wird geprüft, ob ein Kriterium zur neuen Befüllung der Referenzkammer erfüllt ist. Das Kriterium kann beispielsweise eine vorgegebene Betriebszeit des Gassensors sein. Der Schritt 704 kann parallel zum Schritt 702 durchgeführt werden, um eine fortlaufende Überprüfung des Kriteriums zu ermöglichen. Ergibt sich im Schritt 704, dass das Kriterium erfüllt ist, so wird in einem Schritt 706 eine definierte Kammerleerung mit anschließender Befüllung der Referenzkammer durchgeführt, etwa gemäß dem anhand von 6 beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines Gassensors. Ergibt sich hingegen, dass das Kriterium nicht erfüllt ist, so wird der Messmodus beibehalten. Nachfolgend auf den Schritt 706, d. h. nach vollständiger Befüllung der Referenzkammer, kann der Schritt 702 erneut durchgeführt werden, um den Gassensor vom Pumpbetrieb in den Messbetrieb umzuschalten.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Einstellen eines Partialdrucks in einer Referenzkammer eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie er beispielsweise anhand einer der 1 bis 7 beschrieben ist. Beispielhaft veranschaulicht das in 8 gezeigte Ablaufdiagramm die wesentlichen Ablaufschritte zur Einstellung eines vorgegebenen Sauerstoffpartialdrucks in der Referenzkammer des Gassensors. Das Verfahren 800 kann beispielsweise im Rahmen eines anhand von 6 beschriebenen Schritts zur Befüllung der Referenzkammer durchgeführt werden. In einem Schritt 802 wird die Referenzkammer spannungsgeführt entleert. Genauer gesagt wird hierbei zumindest ein Hauptanteil eines Volumens des Referenzgases aus der Referenzkammer entfernt. Nachfolgend auf den Schritt 802 wird in einem Schritt 804 ein Abbruchkriterium zum Abbrechen der Kammerentleerung geprüft. Ist das Abbruchkriterium im Schritt 804 erfüllt, so wird in einem Schritt 806 die Referenzkammer so lange mit dem Referenzgas befüllt, bis eine vorgegebene Ladungsmenge Q erreicht ist.
Bei unbekannter Sauerstoffkonzentration im Messgas und unbekanntem Sauerstofffüllstand in der Hohlkammer würde durch bloßes Anlegen einer Spannung zur Befüllung der Referenzkammer ein Sauerstoffpartialdruck in der Referenzkammer entstehen, der von der unbekannten Sauerstoffkonzentration im Messgas abhinge. Deshalb wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Betriebsweise zur Kammerfüllung folgende in 8 veranschaulichte Methode vorgeschlagen.
Zunächst wird im Schritt 802 die Referenzkammer entleert. Dabei ist weder der Füllstand der Referenzkammer noch der Sauerstoffgehalt im Messgas bekannt. Messbar ist lediglich eine Spannung, die sich bei einer Gleichgewichtsbedingung durch die Nernst-Gleichung U_Nernst ~ ln(p_{O2 Messgas}/p_{O2 Referenzgas}) einstellt. Es ist ausreichend, wenn eine Leerungsspannung U_leer von beispielsweise 0,4 bis 2 V angelegt wird.
Hierdurch findet eine ausreichende Leerung statt. Besteht das Messgas beispielsweise aus Luft (p_{O2 Messgas_1} = 200 mbar) und herrscht sich in der Referenzkammer zunächst ein Sauerstoffpartialdruck von beispielsweise p_{O2_init1} = 1000 mbar, so wird durch eine vorgegebene angelegte Spannung die Referenzkammer um mehrere Größenordnungen geleert, etwa auf p_{O2empty_1} = 2·10^–2 mbar.
Weist das Messgas jedoch einen anderen Sauerstoffpartialdruck auf, beispielsweise p_{O2 Messgas_2} = 10^–3 mbar, so würde dieser bei gleicher anliegender Spannung auf den Wert p_{O2empty_1} = 10^–11 mbar absinken.
Auf logarithmischer Skala kann es deutliche Unterschiede zwischen den Partialdrücken geben. Jedoch repräsentiert der Partialdruck in beiden Fällen einen Füllstand auf linearer Skala, der einer faktischen Entleerung der Referenzkammer gleichkommt. Beträgt der Zielwert für die Referenzkammer beispielsweise p_{O2_ziel} = 1000 mbar, so ist im ersten Beispiel die Referenzkammer zu 99,999998 % geleert. Im zweiten Fall beträgt die Entleerung 99,999999999999 %. In beiden Fällen kann die Referenzkammer also als faktisch geleert betrachtet werden.
Das im Schritt 804 zu prüfende Kriterium, wie lange die Spannung zur Leerung anliegt, kann beispielsweise durch Beobachtung eines Stromverlaufs bestimmt werden. Langfristig stellt sich ein Wert ein, der einem durch Undichtigkeit der Referenzkammer verursachten Gasleckstrom entspricht, auf den der Strom asymptotisch abklingt. Es kann bei der Kammerleerung ein Schwellwert für den Strom oder ein Stromintervall hinterlegt werden, nach dessen Erreichen der Entleerungsprozess abgebrochen oder zumindest zeitweise unterbrochen werden kann. Alternativ kann auch ein festes Zeitintervall vorgegeben werden, das durch ergänzende Messungen einmalig bestimmt werden kann.
Schließlich wird die Referenzkammer im Schritt 806 befüllt. Dabei wird eine Pumprichtung umgekehrt und elektrochemisch Sauerstoff in die Referenzkammer gepumpt. Dies geschieht jedoch nicht allein durch Anlegen einer Spannung, sondern stromgeführt bzw. spannungsgeführt unter Messung des Verlaufs des Stromes. Die Befüllung wird beispielsweise dann abgebrochen, wenn eine bestimmte Ladungsmenge erreicht ist. Diese Ladungsmenge ergibt sich aus dem in der Referenzkammer zu erreichenden Sauerstoffpartialdruck.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Ermitteln einer vorgegebenen Referenzgasmenge zur Speicherung in einem Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 900 dient der experimentellen Ermittlung einer zum korrekten Betrieb des Gassensors erforderlichen Ladungsmenge Q in der Referenzkammer. Hierzu wird in einem Schritt 902 unter Verwendung eines definierten Messgases, d. h. eines Messgases mit bekanntem Referenzgaspartialdruck, ein Spannungsschwellwert berechnet, der einem in der Referenzkammer herzustellenden Referenzgaspartialdruck entspricht. Anschließend wird in einem Schritt 904 die Referenzkammer spannungsgeführt entleert. In einem weiteren Schritt 906 wird die Referenzkammer stromgeführt mit dem Referenzgas gefüllt, etwa mit Sauerstoff. Durch Integrieren wird in einem Schritt 908 eine im Schritt 906 geflossene Ladungsmenge bestimmt. In einem beispielsweise fortlaufend durchgeführten Schritt 910 wird geprüft, ob der Spannungsschwellwert im Schritt 906 erreicht wurde. Ergibt sich im Schritt 910, dass der Spannungsschwellwert erreicht wurde, so wird in einem Schritt 912 die Kammerfüllung abgebrochen und eine dabei ermittelte Ladungsmenge abgespeichert, die der zum korrekten Betrieb des Gassensors erforderlichen Referenzgasmenge entspricht. Ergibt sich hingegen im Schritt 910, dass der Spannungsschwellwert nicht erreicht wurde, so wird die Ausführung des Schritts 912 unterdrückt und somit der Schritt 906 nicht abgebrochen.
Eine zu speichernde Sauerstoffmenge, d. h. eine Anzahl von Sauerstoffmolekülen N, ergibt sich unmittelbar aus einem Volumen der Referenzkammer und einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck p entsprechend der idealen Gasgleichung pV = RNT. Pro Sauerstoffmolekül sind vier Elektronen erforderlich. Die elektrische Ladung wird für die Befüllung verwendet.
Die Ladungsmenge Q kann nicht nur rechnerisch, sondern auch durch eine experimentelle Kalibrierung bestimmt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn das Volumen der Referenzkammer nicht exakt bekannt ist, etwa aufgrund von Exemplarstreuung bei der Fertigung. Eine Möglichkeit besteht in einer stromgeführten Kammerfüllung bei bekanntem Gas an der Messelektrode. Dabei sollte der Sauerstoffpartialdruck im Gas in etwa dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck in der Referenzkammer entsprechen, d. h. beispielsweise maximal um einen Faktor 10 davon abweichen. Entsprechend der Nernst-Gleichung kann die zu erwartende Spannung einer gefüllten Referenzkammer mit dem erwünschten Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem bekannten Messgas berechnet werden. Wird diese Spannung bei einer stromgeführten Füllung mit Sauerstoff erreicht, so wird die stromgeführte Füllung abgebrochen. Die während der Füllung registrierte Ladungsmenge Q kann dann als Zielwert für künftige Kammerbefüllungen verwendet werden.
10 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1000 zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1000 eignet sich beispielsweise zur Durchführung eines anhand von 6 beschriebenen Verfahrens. Dabei kann die Vorrichtung 1000 Teil eines Gassensors sein, wie er anhand der 1 bis 9 beschrieben ist.
Die Vorrichtung 1000 umfasst eine Reduzierungseinheit 1002, die ausgebildet ist, um einen Verfahrensschritt zum Reduzieren eines Partialdrucks des Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen, sodass ein Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge hergestellt wird. Beispielsweise ist die Reduzierungseinheit 1002 ausgebildet, um ansprechend auf das Herstellen des Ausgangszustands ein Befüllungssignal 1004 bereitzustellen. Eine Befüllungseinheit 1006 der Vorrichtung 1000 ist ausgebildet, um das Befüllungssignal 1004 zu empfangen und unter Verwendung des Befüllungssignals 1004 einen Verfahrensschritt zum Befüllen der Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (600) zum Betreiben eines Gassensors (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor (100) ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104) und eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112) aufweist, wobei die Elektrodenlage (106) die Bodenausnehmung (104) abdeckt, um eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst: Reduzieren (602) eines Partialdrucks des Referenzgases in der Referenzkammer (110) um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112), um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer (110) mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen; und Befüllen (604) der Referenzkammer (110) mit der vorgegebenen Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112), wenn im Schritt des Reduzierens (602) der Ausgangszustand hergestellt wurde.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Reduzierens (602) spannungsgesteuert und/oder der Schritt des Befüllens (604) stromgesteuert durchgeführt wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Reduzierens (602) die erste Spannung über eine vorgegebene Zeitspanne angelegt wird, um den Ausgangszustand herzustellen.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend auf den Schritt des Befüllens (604) die Schritte des Reduzierens (602) und Befüllens (604) zumindest einmal wiederholt werden.
Vorrichtung (1000), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
Gassensor (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor (100) folgende Merkmale aufweist: ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104); und eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112), wobei die Elektrodenlage (106) die Bodenausnehmung (104) abdeckt, um eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) eine Vorrichtung (1000) gemäß Anspruch 5 aufweist.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenlage (106) einen Elektrolyten (116) aufweist, wobei die Referenzelektrode (114), die Messelektrode (112) und der Elektrolyt (116) zumindest im Bereich der Bodenausnehmung (104) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Elektrolyt (116) zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112) angeordnet ist und die Referenzelektrode (114) der Bodenausnehmung (104) zugewandt ist.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkammer (110) zumindest teilweise mit einem Absorptions- oder Speichermaterial (130) zum Absorbieren oder Speichern des Referenzgases gefüllt ist.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Deckelelement (108), das auf einer der Elektrodenlage (106) gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) angeordnet ist, um die Bodenausnehmung (104) abzudecken, insbesondere wobei zumindest ein Teilabschnitt (118) der Referenzelektrode (114) zwischen dem Deckelelement (108) und dem Bodenelement (102) angeordnet ist, wobei ein erstes Ende (122) des Teilabschnitts (118) mit einer Außenumgebung des Gassensors (100) und ein zweites Ende (124) des Teilabschnitts (118) mit der Referenzkammer (110) in Kontakt steht und/oder an die Referenzkammer (110) angrenzt.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Referenzelektrodenkontakt (300), der ausgebildet ist, um den Teilabschnitt (118) mit einer dem Teilabschnitt (118) gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) elektrisch leitfähig zu verbinden.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch einen Messelektrodenkontakt (304), der ausgebildet ist, um die Messelektrode (112) mit einer der Messelektrode (112) gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) elektrisch leitfähig zu verbinden.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (102) zumindest einen Kanal (200) aufweist, der die Referenzkammer (110) mit einer äußeren Umgebung des Gassensors (100) fluidisch koppelt.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.