DE102015223646A1

DE102015223646A1 - Sensorelement zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines, insbesondere sauerstoffhaltigen, Messgases

Info

Publication number: DE102015223646A1
Application number: DE102015223646.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement (10) zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines sauerstoffhaltigen Messgases. Das Sensorelement weist wenigstens zwei Schichtanordnungen (20, 30, 40) und eine Referenzkammer (50) auf. Eine jede der Schichtanordnungen umfasst zwei Elektroden (21, 31, 41) und wenigstens ein dazwischenliegendes und für Sauerstoff-Ionen durchlässiges Feststoffelektrolytelement. Dabei sind eine erste der zwei Elektroden jeder Schichtanordnung auf einer dem Messgas auszusetzenden ersten Fläche (11) des Sensorelementes und eine zweite der zwei Elektroden jeder Schichtanordnung auf einer einem sich in der Referenzkammer befindlichen sauerstoffhaltigen Referenzgas auszusetzenden zweiten Fläche des Sensorelementes angeordnet. Die Schichtanordnungen sind galvanisch voneinander getrennt. Zum Einstellen eines vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes (P2) des Referenzgases ist eine erste der Schichtanordnungen mit einem ersten Pumpstrom beaufschlagbar. Zum Messen des wenigstens eines Parameters weist eine zweite der Schichtanordnungen zwei Spannungsabgriffe (35, 36) auf, über die eine zwischen den zwei Elektroden (31) der zweiten Schichtanordnung (30) anliegende erste Messspannung messbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines, insbesondere sauerstoffhaltigen, Messgases. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines sauerstoffhaltigen Messgases mittels eines solchen Sensorelementes.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente für Gassensoren bekannt, die insbesondere in Lambda-Sonden oder in Stickoxid-Sensoren einsetzbar sind.
Ein derartiges Sensorelement kann in einer keramischen Sprung- oder Breitband-Lambda-Sonde oder in einem Stickoxidsensor eingesetzt werden, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann, um wenigstens einen Parameter eines Messgases zu messen, welches in diesem Fall ein Abgas des Kraftfahrzeuges ist. Hierbei kann der, wenigstens eine Parameter, eine Luftzahl des Abgases umfassen. Anhand einer Auswertung des wenigstens einen Parameters kann dann eine optimale Gasgemisch-Zusammensetzung in einem Motor des Kraftfahrzeuges eingestellt werden. Ein solches Sensorelement kann in Form eines Kammer-Systems mittels Dickschichttechnologie ausgebildet sein und umfasst eine Schichtanordnung und eine Referenzkammer mit sauerstoffhaltigem Referenzgas. Die Schichtanordnung weist zwei Elektroden und eine dazwischenliegende Membran auf, die aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildet ist. Die zwei Elektroden umfassen dabei eine dem Messgas auszusetzende erste Elektrode und eine dem Referenzgas auszusetzende zweite Elektrode. Die Schichtanordnung weist mehrere Funktionen auf. Eine erste dieser Funktionen ermöglicht eine Messung einer Nernst-Spannung der Schichtanordnung. Dazu wird eine Spannung gemessen, die zwischen den Elektroden der Schichtanordnung dann anliegt, wenn die Schichtanordnung mit einem ersten Pumpstrom beaufschlagt ist. Die Nernst-Spannung wird gemäß der Relation (1) berechnet. In der Relation (1) werden mit U_N die Nernst-Spannung, mit P1 ein im Messgas vorkommender Sauerstoffpartialdruck, mit P2 ein im Referenzgas vorkommender Sauerstoffpartialdruck, mit T eine Temperatur der Schichtanordnung, mit R die molare Gaskonstante und mit F die Faraday-Konstante bezeichnet. U_N = ((R·T)/(4·F))·(ln(P1/P2)) (1)
Eine zweite der Funktionen ermöglicht eine Messung einer Temperatur des Sensorelementes, die gleich der Temperatur der Schichtanordnung ist. Dazu wird die Schichtanordnung mit einem Strom, insbesondere mit einem Wechselstrom, beaufschlagt. Dabei wird ein ohmscher Innenwiderstand der Schichtanordnung anhand einer Auswertung einer Impedanz der Schichtanordnung gemessen und die Temperatur der Schichtanordnung anhand des gemessenen ohmschen Widerstands bestimmt.
Eine dritte der Funktion ermöglicht ein definiertes Pumpen von Sauerstoff-Ionen vom Messgas in das Referenzgas. Dazu wird die Schichtanordnung mit dem ersten Pumpstrom beaufschlagt, indem die Schichtanordnung mit einer Strom- oder Spannungsquelle elektrisch verbunden wird. Bei geeigneter Wahl des ersten Pumpstromes stellt sich ein Sauerstoff-Fluss beziehungsweise ein Sauerstoff-Ionen-Fluss ein, der von dem Messgas zum Referenzgas oder vom Referenzgas zum Messgas strömt. Dabei wird an einer (porösen) Elektrode der dort befindliche Sauerstoff (O2) in Sauerstoff-Ionen(O2-) umgewandelt. Diese Sauerstoff-Ionen werden durch die Festelektrolytschicht transportiert beziehungsweise diffundieren hindurch. Auf der anderen Seite werden die Sauerstoff-Ionen wieder in Sauerstoff (O2) umgewandelt. Im Folgenden wird unter „Sauerstofftransport durch die Membran“, „Pumpen von Sauerstoff“ oder ähnlichen Ausdrücken dieser oben beschriebene Prozess verstanden. Ferner wird über einen an der Referenzkammer angebrachten definierten Auslasskanal ein Sauerstoff-Diffusionsfluss austreten oder eintreten, der gleich dem durch das Pumpen bewirkten Sauerstoff-Fluss beziehungsweise Sauerstoff-Ionen-Fluss ist. So kann ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck an der zweiten Elektrode eingestellt werden, der innerhalb von vordefinierten Partialdruck-Messtoleranzen konstant ist. Das bedeutet, dass der Sauerstoffpartialdruck des Referenzgases ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck ist, der innerhalb von vordefinierten Partialdruck-Messtoleranzen konstant ist.
Derartige Sensorelemente werden beispielsweise auf den Seiten 1338–1347 des Kraftfahrttechnischen Taschenbuches, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, beschrieben.
Ein Sensorelement, das eine zuvor beschriebene Schichtanordnung umfasst, kann auch in Form eines mikrostrukturierten Sensorelementes mittels Dünnschichttechnologie ausgebildet werden. Ein solches mikrostrukturiertes Sensorelement ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2012 201 304 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es hat sich gezeigt, dass in Anwesenheit des ersten Pumpstromes ein Spanungsunterschied ΔU zwischen der Spannung, die zwischen den Elektroden der Schichtanordnung anliegt, und der Nernst-Spannung der Schichtanordnung existiert. Dieser Spannungsunterschied ΔU tritt aufgrund des ohmschen Innenwiderstandes der Schichtanordnung auf.
Der Innenwiderstand R_i der Schichtanordnung ergibt sich gemäß der im Folgenden angegebenen Relation (2). R_i = ρ·D/A (2)
Dabei ist ρ der spezifische elektrische Widerstand des Materials, D entspricht der Dicke der Schichtanordnung entlang der Stromflussrichtung und A bezeichnet die vom Strom durchflossene Fläche.
Der Spannungsunterschied ΔU ergibt sich gemäß der Gleichung ΔU = R_i·I_Pump und weist also einen Betrag auf, der gleich einem Betrag eines Produktes zwischen dem Pumpstrom I_Pump und dem ohmschen Innenwiderstand R_i der Schichtanordnung ist. Da der Innenwiderstand der Schichtanordnung umgekehrt proportional zu einer jeweiligen Fläche beziehungsweise Flächengröße der Elektroden der Schichtanordnung ist, ist der Betrag des genannten Spannungsunterschiedes umso größer, umso kleiner diese Flächengröße ist. Damit wird vor allem bei kleinen Flächengrößen der Elektroden der Schichtanordnung der Innenwiderstand der Schichtanordnung groß. Folglich wird vor allem bei kleinen Flächengrößen der Elektroden der Schichtanordnung auch der Betrag des Spannungsunterschiedes ΔU groß. Das kann dazu führen, dass die Nernst-Spannung nicht präzise genug für die jeweilige Messung bestimmt werden kann oder, dass ein großer Aufwand betrieben werden muss, um die Nernst-Spannung als korrigiertes Spannungsmesssignal zu erhalten. Es kann daher ein Bedarf bestehen, die Nernst-Spannung bei geringen Flächengrößen der Schichtanordnung genauer zu bestimmen.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch ein Sensorelement gemäß der Erfindung befriedigt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Sensorelement zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines, insbesondere sauerstoffhaltigen, Messgases bereitgestellt. Das Sensorelement weist wenigstens zwei Schichtanordnungen und eine Referenzkammer auf. Insbesondere sind die wenigstens zwei Schichtanordnungen im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet. Ferner umfasst eine jede der Schichtanordnungen zwei Elektroden und wenigstens ein dazwischenliegendes und für Sauerstoff-Ionen durchlässiges Feststoffelektrolytelement. Weiterhin weist das Sensorelement eine dem Messgas auszusetzende erste Fläche und eine einem sich in der Referenzkammer befindlichen sauerstoffhaltigen Referenzgas auszusetzende zweite Fläche auf. Weiterhin ist eine erste der zwei Elektroden jeder Schichtanordnung auf der ersten Fläche angeordnet. Auch ist eine zweite der zwei Elektroden jeder Schichtanordnung auf der zweiten Fläche angeordnet. Ferner sind die Schichtanordnungen galvanisch voneinander getrennt. Zum Einstellen eines vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases ist eine erste der Schichtanordnungen mit einem ersten Pumpstrom beaufschlagbar. Zum Messen des wenigstens eines Parameters weist eine zweite der Schichtanordnungen zwei Spannungsabgriffe auf. Über diese zwei Spannungsabgriffe können die zwei Elektroden der zweiten Schichtanordnung zum Beispiel elektrisch kontaktiert werden. Über die zwei Spannungsabgriffe ist eine zwischen den zwei Elektroden der zweiten Schichtanordnung anliegende erste Messspannung messbar.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem zuvor beschriebenen Sensorelement kann die erste Schichtanordnung mit dem ersten Pumpstrom beaufschlagt werden. Dazu ist die erste Schichtanordnung mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar. Zum Erzeugen des ersten Pumpstromes stellt eine solche Spannungsquelle eine erste Pumpspannung bereit. Wenn die erste Fläche des Sensorelementes dem Messgas und die zweite Fläche des Sensorelementes dem Referenzgas ausgesetzt ist, so sind die ersten Elektroden der wenigstens zwei Schichtanordnungen und die zweiten Elektroden der wenigstens zwei Schichtanordnungen dem Referenzgas ausgesetzt. In einem solchen Fall tritt bei geeigneter Wahl des ersten Pumpstromes ein, zum Beispiel kontinuierlicher, Sauerstoff-Fluss beziehungsweise Sauerstoff-Ionen-Fluss auf, der vom Messgas zum Referenzgas oder vom Referenzgas zum Messgas strömt. Zum Einstellen des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases, der innerhalb von vordefinierten Partialdruck-Messtoleranzen konstant ist, wird beispielsweise ein definierter Auslasskanal an der auch als Referenzgaskammer bezeichneten Referenzkammer angebracht, über den ein Sauerstoff-Diffusionsfluss aus der Referenzkammer austreten oder in die Referenzkammer eintreten kann, der gleich dem von dem erste Pumpstromes bewirkten Sauerstoff-Fluss beziehungsweise Sauerstoff-Ionen-Fluss ist. Mit anderen Worten wird die mit dem ersten Pumpstrom beaufschlagbare erste Schichtanordnung zum Pumpen von Sauerstoff-Ionen von dem Messgas in das Referenzgas verwendet. Dabei wird infolge des ersten Pumpstromes ein definierter Druckunterschied zwischen einem Sauerstoffpartialdruck des Messgases und dem vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck des Referenzgases erzeugt. Infolge des definierten Druckunterschiedes tritt in jeder der wenigstens zwei Schichtanordnungen eine gemäß der weiter oben eingeführten Relation (1) definierte Nernst-Spannung auf.
Aufgrund eines ohmschen Innenwiderstandes der ersten Schichtanordnung ist eine Spannung, die zwischen den zwei Elektroden der ersten Schichtanordnung in Anwesenheit des ersten Pumpstromes anliegt und auch als zweite Messspannung bezeichnet wird, nicht gleicht der genannten Nernst-Spannung. Ein Spannungsunterschied ΔU zwischen der zweiten Messspannung und der genannten Nernst-Spannung ergibt sich gemäß der weiter oben eingeführten Gleichung ΔU = R_i·I_Pump und weist folglich einen Betrag auf, der gleich einem Betrag eines Produktes zwischen dem ersten Pumpstrom I_Pump und dem ohmschen Innenwiderstand R_i der ersten Schichtanordnung ist. Folglich würde eine Messung der zweiten Messspannung nur zu einer ungenauen Abschätzung der auftretenden Nernst-Spannung führen. Da der ohmsche Innenwiderstand jeder Schichtanordnung entsprechend der oben angegebenen Relation (2) umgekehrt proportional zu einer jeweiligen Fläche der Elektroden der jeweiligen Schichtanordnung ist, ist diese Abschätzung umso ungenauer, je kleiner die jeweilige Fläche der Elektroden der ersten Schichtanordnung ist.
Da die erste und die zweite Schichtanordnung galvanisch voneinander getrennt sind, kann bewirkt werden, dass der erste Pumpstrom im Wesentlichen ausschließlich über die erste Schichtanordnung fließt. Da aus diesem Grund trotz Anwesenheit des ersten Pumpstromes kein Strom beziehungsweise Pumpstrom über die zweite Schichtanordnung fließt, ist die zwischen den zwei Elektroden der zweiten Schichtanordnung in Anwesenheit des ersten Pumpstromes anliegende erste Messspannung gleich der genannten Nernst-Spannung. Über die zwei Spannungsabgriffe der zweiten Schichtanordnung können die erste Messspannung und folglich auch die genannte Nernst-Spannung genau gemessen werden. Dabei wird eine entsprechende Messung der genannten Nernst-Spannung weder durch den ohmschen Widerstand der ersten Schichtanordnung noch durch einen ohmschen Widerstand der zweiten Schichtanordnung verfälscht. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass die zwei Spannungsabgriffe zur elektrischer Kontaktierung der zwei Elektroden der zweiten Schichtanordnung dienen, so dass eine zwischen den zwei Spannungsabgriffen anliegende Spannung gleich der zwischen den zwei Elektroden anliegenden ersten Messspannung ist. Somit kann zum Beispiel selbst bei miniaturisierten Sensorelementen beziehungsweise Schichtanordnungen mit hohem Innenwiderstand einzelner Schichtanordnungen die Nernst-Spannung vorteilhaft präzise bestimmt werden. Somit kann zum Beispiel auch der zugehörige Sauerstoffpartialdruck des Messgases vorteilhaft präzise bestimmt werden.
Wenn die erste Schichtanordnung durch Verbinden der ersten Schichtanordnung mit der zuvor beschriebenen Spannungsquelle mit dem ersten Pumpstrom beaufschlagt wird, so ist der erste Pumpstrom von der ersten Pumpspannung, dem ohmschen Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung und der genannten Nernst-Spannung abhängig. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass der ohmsche Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung von einer Temperatur der ersten Schichtanordnung abhängig ist, die gleich einer Temperatur des Sensorelementes ist. Ferner zu berücksichtigen ist, dass die genannte Nernst-Spannung von der Temperatur der ersten Schichtanordnung und folglich von der Temperatur des Sensorelementes sowie von dem Sauerstoffpartialdruck des Messgases und von dem vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck des Referenzgases abhängig ist. Folglich ist der erste Pumpstrom von der Temperatur des Sensorelementes und von dem Sauerstoffpartialdruck des Messgases abhängig. Wenn die erste Pumpspannung der genannten Spannungsquelle variabel ist, kann zum Beispiel trotz einer Variation der Temperatur des Sensorelementes und/oder des Sauerstoffpartialdruckes des Messgases der Sauerstoffpartialdruck in der Referenzkammer konstant gehalten werden. Dies ist zum Beispiel durch eine Veränderung der ersten Pumpspannung innerhalb von vordefinierten Spannungs-Messtoleranzen möglich. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass eine Variation des ersten Pumpstromes zu einer (temporären) Variation des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases führen kann. In diesem Fall wird eine über die zwei Spannungsabgriffe der zweiten Schichtanordnung erfolgte Messung der genannten Nernst-Spannung auch nicht von unerwünschten Schwankungen des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases verfälscht.
Wie zuvor erwähnt, ist die in Anwesenheit des ersten Pumpstromes auftretende Nernst-Spannung von der Temperatur des Sensorelementes, dem Sauerstoffpartialdruck des Messgases und dem vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck des Referenzgases abhängig. Dadurch können der Sauerstoffpartialdruck des Messgases und folglich auch eine im Messgas vorkommende Sauerstoffkonzentration mittels der genannten Nernst-Spannung genau gemessen werden. Folglich kann der wenigstens eine Parameter des Messgases den Sauerstoffpartialdruck und/oder die Sauerstoffkonzentration des Messgases umfassen. Wenn das Messgas das Abgas eines Fahrzeuges ist, kann mittels des Sauerstoffpartialdruckes oder der Sauerstoffkonzentration des Abgases eine Luftzahl des Abgases bestimmt werden. In einem solchen Fall kann der wenigstens eine Parameter folglich auch die Luftzahl des Abgases umfassen, so dass das Sensorelement in einer Sprung- oder Breitband-Lambda-Sonde zum Erfassen der Luftzahl des Abgases einsetzbar ist. Auch ist eine Anwendung des Sensorelements in einem Stickoxid-Sensor (NO_x-Sensor) möglich.
Wenn in Anwesenheit des ersten Pumpstromes auch die zwischen den zwei Elektroden der ersten Schichtanordnung anliegende zweite Messspannung gemessen wird, kann umgekehrt der ohmschen Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung anhand der genannten Nernst-Spannung, der zweiten Messspannung und des ersten Pumpstromes bestimmt werden. Anhand des ohmschen Innenwiderstandes der ersten Schichtanordnung kann dann die Temperatur der ersten Schichtanordnung, die gleich der Temperatur des Sensorelementes ist, bestimmt werden. Folglich kann der wenigstens eine Parameter auch die Temperatur des Sensorelementes umfassen.
Bei dem zuvor beschriebenen Sensorelement wird die erste Schichtanordnung nur zum Pumpen von Sauerstoff-Ionen von dem Messgas in das Referenzgas verwendet und nicht zur Messung der in Anwesenheit des ersten Pumpstromes auftretenden Nernst-Spannung herangezogen. Folglich kann der ohmsche Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung die zuvor beschriebene Messung der genannten Nernst-Spannung auch nicht beeinflussen. Dadurch kann eine Fläche der Elektroden der ersten Schichtanordnung ohne Rücksicht auf den ohmschen Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung ausgelegt werden. Folglich kann die Fläche der Elektroden der ersten Schichtanordnung einzig in Abhängigkeit von elektrischen Anforderungen an den ersten Pumpstrom und/oder die erste Pumpspannung und unter Berücksichtigung einer zeitlichen Degradation der Elektroden der ersten Schichtanordnung ausgelegt werden.
Dadurch, dass die Messung der genannten Nernst-Spannung auch unabhängig von dem Innenwiderstand der zweiten Schichtanordnung ist, kann eine Fläche der Elektroden der zweiten Schichtanordnung einzig in Abhängigkeit von einem Einfluss dieser Fläche auf ein Signal-Rausch-Verhältnis des Sensorelementes ausgelegt werden. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass die Messung der genannten Nernst-Spannung unabhängig von dem Innenwiderstand der zweiten Schichtanordnung ist, da über die zwei Spannungsabgriffe der zweiten Schichtanordnung lediglich die erste Messspannung beziehungsweise die Nernst-Spannung abgegriffen wird, ohne dass ein nennenswerter Stromfluss über die zweite Schichtanordnung notwendig ist.
Insbesondere sind die wenigstens zwei Schichtanordnungen des zuvor beschriebenen Sensorelementes im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet. Bei einer solchen Anordnung der wenigstens zwei Schichtanordnungen sind die erste und die zweite Elektrode jeder Schichtanordnung bezüglich einer senkrecht zu der genannten Ebene verlaufenden ersten Richtung übereinander angeordnet und voneinander entlang der ersten Richtung beabstandet angeordnet. Dabei verläuft die erste Richtung parallel zu einer Hauptfließrichtung des infolge des ersten Pumpstromes auftretenden Sauerstoff-Ionen-Flusses. Folglich verlaufen eine Dicke jeder Schichtanordnung und eine Dicke des wenigstens einen zwischen den zwei Elektroden jeder Schichtanordnung angeordneten Feststoffelektrolytelementes sowie eine Dicke des Sensorelementes parallel zu der ersten Richtung. Bei der genannten Anordnung wird eine galvanische Trennung der wenigstens zwei Schichtanordnungen dadurch realisiert, dass zumindest die ersten Elektroden der wenigstens zwei Schichtanordnungen als galvanisch voneinander getrennte Komponenten ausgebildet werden.
Bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement kann eine Messung der Temperatur des Sensorelementes auch über eine externe Einheit, die beispielsweise in Form eines Platin-Messwiderstands ausgebildet ist, erfolgen.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Fläche jeder Elektrode der zweiten Schichtanordnung kleiner als eine Fläche jeder Elektrode der ersten Schichtanordnung. Auf diese Weise kann der Einfluss der Fläche der Elektroden der zweiten Schichtanordnung auf das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensorelementes reduziert werden. Gleichzeitig kann die zum Pumpen verwendete Fläche der Elektroden der ersten Schichtanordnung erhöht beziehungsweise maximiert werden.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst ein zuvor beschriebenes Sensorelement eine dritte Schichtanordnung. Insbesondere ist die dritte Schichtanordnung im Wesentlichen in derselben Ebene wie die erste und zweite Schichtanordnung angeordnet. Dabei ist die dritte Schichtanordnung galvanisch von der ersten und der zweiten Schichtanordnung getrennt und zum Messen einer Temperatur des Sensorelementes mit einem, insbesondere gepulsten, ersten elektrischen Temperaturmesssignal beaufschlagbar. Die zweite bevorzugte Weiterbildung kann mit der ersten Weiterbildung und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Da bei einem Sensorelement gemäß der zweiten bevorzugten Weiterbildung die dritte Schichtanordnung galvanisch von der ersten und zweiten Schichtanordnung getrennt ist, kann der erste Pumpstrom nicht über die dritte Schichtanordnung fließen. Vorteilhaft dabei ist, dass eine auf dem Temperaturmesssignal basierende Messung einer Temperatur der dritten Schichtanordnung, die gleich der Temperatur des Sensorelementes ist, unabhängig von dem durch die erste Schichtanordnung durchgeführten Pumpen von Sauerstoff-Ionen erfolgen kann. Bei geeigneter Wahl des ersten Temperaturmesssignals kann ein von dem ersten Temperaturmesssignal hervorgerufener erster Temperaturmessstrom auch zum Pumpen von Sauerstoff-Ionen von dem Messgas in das Referenzgas eingesetzt werden, um so eine Pumpwirkung der ersten Schichtanordnung zu unterstützen.
Wenn das erste Temperaturmesssignal ein gepulstes elektrisches Signal ist, wird die Pumpwirkung der ersten Schichtanordnung weniger durch das erste Temperaturmesssignal beeinflusst, als in einem Fall, in dem das erste Temperaturmesssignal ein zeitlich kontinuierliches elektrisches Signal ist. Der Grund dafür ist, dass das als gepulstes elektrisches Signal erzeugte erste Temperaturmesssignal nur zeitweise ein Sauerstoff-Ionen-Fluss zwischen dem Messgas und dem Referenzgas bewirken kann.
Wenn das erste Temperaturmesssignal ein gepulstes elektrisches Signal ist, kann ein ohmscher Widerstand der dritten Schichtanordnung anhand einer Auswertung einer Impedanz der dritten Schichtanordnung erfolgen. Hierbei wird die Temperatur der dritten Schichtanordnung und folglich die Temperatur des Sensorelementes anhand des gemessenen ohmschen Widerstandes der dritten Schichtanordnung bestimmt. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass durch die genannte Auswertung der Impedanz nur Werte von ohmschen Widerständen messbar sind, die in einem für ohmsche Innenwiderstände von Schichtanordnungen eines Dickschicht-Sensorelementes üblichen Wertebereich liegen. Dieser Innenwiderstand wird bei Dickschicht-Sensorelementen maßgeblich durch eine große Schichtdicke im Bereich mehrerer hundert oder tausend Mikrometer bestimmt und ist daher gemäß der oben angegebenen Relation (2) relativ hoch. Ein derartig hoher Innenwiderstand, der von der Temperatur der jeweiligen Schichtanordnung abhängig ist und somit als Temperaturmessgröße dienen kann, ist für die Bestimmung der Temperatur eines jeweiligen Sensorelementes gegenüber kleinen Innenwiderständen bevorzugt zu verwenden.
Hierbei zu berücksichtigen ist ferner, dass die Dicke der Feststoffelektrolytelemente bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, das in Form eines Dünnschicht-Sensorelementes ausgebildet ist, etwa einem Hundertstel der Dicke der Feststoffelektrolytelemente bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, das in Form eines Dickschicht-Sensorelementes ausgebildet ist. Folglich ist ein ohmscher Innenwiderstand der Schichtanordnungen eines Dickschicht-Sensorelementes wesentlich größer als ein ohmscher Innenwiderstand der Schichtanordnungen eines Dünnschicht-Sensorelementes, wenn die zu vergleichenden Sensorelemente vergleichbare laterale Abmessungen aufweisen beziehungsweise wenn die in der oben angegebenen Relation (2) jeweils mit A zu bezeichnenden Flächen der zu vergleichenden Sensorelemente vergleichbar sind. Unter den lateralen Abmessungen eines Dicksicht- oder Dünnschicht-Sensorelementes sind die senkrecht zu der Dicke des jeweiligen Sensorelementes verlaufenden Abmessungen des jeweiligen Sensorelementes zu verstehen. Wenn ein zuvor beschriebenes Sensorelement in Form eines Dünnschicht-Sensorelementes ausgebildet ist, kann eine Fläche der Elektroden der dritten Schichtanordnung gemäß der oben aufgeführten Relation (2) so klein ausgelegt werden, dass ein Wert des ohmschen Innenwiderstandes der dritten Schichtanordnung in dem Wertebereich liegt, der für ohmsche Innenwiderstände von Schichtanordnungen eines Dickschicht-Sensorelementes üblich ist und folglich mittels der genannten Auswertung der Impedanz messbar ist. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der ohmsche Innenwiderstand der dritten Schichtanordnung umgekehrt proportional zu einer jeweiligen Fläche der Elektroden der dritten Schichtanordnung ist. Die verringerte Dicke der dritten Schichtanordnung eines jeweiligen Dünnschicht-Sensorelementes wird somit durch eine verringerte Fläche der Elektroden der dritten Schichtanordnung kompensiert, um den Innenwiderstand der dritten Schichtanordnung so zu erhöhen, dass dieser Innenwiderstand geeignet für eine wie zuvor beschrieben durchzuführende Temperaturmessung ist.
Gemäß einer dritten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die dritte Schichtanordnung zum Einstellen des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases mit einem gepulsten zweiten Pumpstrom beaufschlagbar. Dabei nimmt ein durch das erste Temperaturmesssignal hervorgerufener und durch die dritte Schichtanordnung fließender erster Temperaturmessstrom nicht gleichzeitig mit dem zweiten Pumpstrom einen von Null unterschiedlichen Stromwert an. Die dritte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Vorteilhaft bei einem Sensorelement, bei dem die dritte Schichtanordnung mit einem zweiten Pumpstrom beaufschlagbar ist, ist, dass bei geeigneter Wahl des zweiten Pumpstromes die Pumpwirkung der ersten Schichtanordnung unabhängig von einer Wahl des Temperaturmesssignals unterstützt werden kann.
Gemäß einer vierten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Fläche jeder Elektrode der dritten Schichtanordnung kleiner als eine Fläche jeder Elektrode der ersten und der zweiten Schichtanordnung. Die vierte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Vorteilhaft bei einem Sensorelement, bei dem die Fläche jeder Elektrode der dritten Schichtanordnung kleiner als die Fläche jeder Elektrode der ersten und der zweiten Schichtanordnung ist, ist, dass der ohmschen Innenwiderstand der dritten Schichtanordnung größer als der ohmsche Innenwiderstand der ersten und der zweiten Schichtanordnung ist. Das bedeutet, dass für die Messung der Temperatur eines zuvor beschriebenen Sensorelementes diejenige Schichtanordnung verwendet wird, die den größten Wert des ohmschen Innenwiderstandes aufweist. Wie zuvor beschrieben, wirkt sich ein großer Wert des ohmschen Innenwiderstandes der dritten Schichtanordnung sehr positiv auf eine wie zuvor beschrieben durchgeführte Messung der Temperatur der dritten Schichtanordnung aus, die gleich der Temperatur des Sensorelementes ist.
Gemäß einer fünften bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Elektroden und bevorzugt die zweiten Elektroden der Schichtanordnungen zur galvanischen Trennung der Schichtanordnungen als unterschiedliche und beabstandet voneinander angeordnete Komponenten ausgebildet. Die fünfte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Gemäß einer sechsten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die zweiten Elektroden der Schichtanordnungen als, sich insbesondere nicht überlappende, Abschnitte einer einzelnen Referenzelektrode ausgebildet, die galvanisch voneinander getrennt oder elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die sechste Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden. Dadurch sind zum Beispiel vorteilhaft weniger Zuleitungen notwendig, wodurch sich die Herstellungskosten senken und die Weiterverwendung verbessern lassen. Außerdem kann so vorteilhaft auf einfache Art und Weise ein gemeinsames elektrisches Potenzial der zweiten Elektroden geschaffen werden.
Mit anderen Worten sind bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement bevorzugt zumindest die dem Messgas auszusetzenden Elektroden der Schichtanordnungen, das heißt die ersten Elektroden der Schichtanordnungen, galvanisch voneinander getrennt. Dabei können die dem Referenzgas auszusetzenden Elektroden der Schichtanordnungen, das heißt die zweiten Elektroden der Schichtanordnungen, sowohl galvanisch voneinander getrennt als auch elektrisch miteinander verbunden sein. Wenn die zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, sollte geprüft werden, ob ein Quereinfluss durch eine Polarisation der zweiten Elektroden existiert. Ein solcher Quereinfluss sollte gegebenenfalls verhindert werden.
Bei einem Sensorelement, bei dem die zweiten Elektroden als sich nicht überlappende Abschnitte der Referenzelektrode ausgebildet sind, die leitend miteinander verbunden sind, kann ein Kontaktierungsaufwand der zweiten Elektroden gering gehalten werden. Der Grund dafür ist, dass durch eine elektrische Kontaktierung der Referenzelektrode auch eine elektrische Kontaktierung jeder einzelnen zweiten Elektrode erfolgt.
Gemäß einer siebten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Festelektrolytelemente der Schichtanordnungen als unterschiedliche Abschnitte einer einzelnen durchgehenden Schicht ausgebildet. Die siebte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Bei einem zuvor beschriebenen Sensor kann die durchgehende Schicht in Form einer Feststoffelektrolytschicht ausgebildet sein, die Zirkoniumdioxid oder yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid umfassen kann. Dabei kann die Feststoffelektrolytschicht in Form einer Membran ausgebildet sein. Alternativ kann die Feststoffelektrolytschicht eine Schichtdicke aufweisen, die wesentlich kleiner als eine jede laterale Abmessung dieser Feststoffelektrolytschicht ist. Hierbei kann ein Transport von Sauerstoff-Ionen von dem Messgas in das Referenzgas hauptsächlich entlang der Schichtdicke der Feststoffelektrolytschicht erfolgen. Unter einer lateralen Abmessung der Feststoffelektrolytschicht ist eine senkrecht zu der Schichtdicke der Feststoffelektrolytschicht verlaufende Abmessung der Feststoffelektrolytschicht zu verstehen. Diese Schichtdicke kann beispielsweise mindestens zwanzig Mal kleiner als jede laterale Abmessung der Feststoffelektrolytschicht sein.
Gemäß einer achten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die durchgehende Schicht mehrere jeweils aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildete Membranen auf. Dabei sind die Membranen galvanisch voneinander getrennt. Ferner umfasst das wenigstens eine Feststoffelektrolytelement jeder Schichtanordnung wenigstens eine der Membranen, wobei sich eine jede der wenigstens einen Membran jeder Schichtanordnung mit den zwei Elektroden der jeweiligen Schichtanordnung in elektrischem Kontakt befindet. Die achte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden. Beispielsweise können mehrere Feststoffelektrolytmembranen in einer wabenförmigen Stützstruktur als kleine Einzelmembranen angeordnet und durch die Stützstruktur zum Beispiel galvanisch getrennt sein. Zusammen können die „kleinen“ Einzelmembranen die Feststoffelektrolytelemente der Schichtanordnungen eines jeweiligen Sensorelementes ausbilden. Die Elektroden der Schichtanordnungen können sich dabei über mehrere der Einzelmembranen erstrecken und so die einzelnen „kleinen“ Einzelmembranen elektrisch miteinander verbinden. Eine galvanische Trennung zwischen den Schichtanordnungen des jeweiligen Sensorelementes kann zum Beispiel durch eine Unterbrechung benachbarter erster oder zweiter Elektrodenschichten beidseitig des Verlaufs der Stützstruktur bewirkt werden. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass eine jede der ersten Elektrodenschichten jeweils eine der ersten Elektroden der Schichtanordnungen und eine jede der zweiten Elektrodenschichten jeweils eine der zweiten Elektroden der Schichtanordnungen umfasst.
Vorteilhaft bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, bei dem die durchgehende Schicht die mehreren galvanisch voneinander getrennten Membranen aufweist, ist, dass eine so ausgebildete Schicht robuster gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen ist, als eine Schicht, die aus einer einzelnen Membran, die aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildet ist, besteht.
Gemäß einer neunten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Schichtanordnungen nebeneinander oder ineinander geschachtelt angeordnet. Die neunte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Vorteilhaft bei einer Anordnung der Schichtanordnungen, bei der die Schichtanordnungen nebeneinander angeordnet sind, ist, dass eine vereinfachte Kontaktierung der Elektroden der einzelnen Schichtanordnungen erfolgen kann. Um eine solche vereinfachte Kontaktierung zu ermöglichen, können Kontaktelemente zum Beispiel an den Außenrändern der Schichtanordnungen angeordnet werden, um so leicht zugänglich zu sein.
Vorteilhaft bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, bei dem die Schichtanordnungen ineinander geschachtelt angeordnet sind, ist, dass durch eine solche Anordnung ein Einfluss einer Richtungsabhängigkeit des zumindest von dem ersten Pumpstrom bewirkten Sauerstoff-Ionen-Flusses auf die zu messende erste Messspannung reduziert wird. Durch eine solche Anordnung wird ferner auch ein Einfluss einer in dem jeweiligen Sensorelement existierenden Temperaturverteilung auf die zu messende erste Messspannung reduziert.
Gemäß einer zehnten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die erste und die zweite Fläche des Sensorelementes, insbesondere an ihren Außenumrissen, eine und dieselbe erste geometrische Form auf. Insbesondere ist die erste geometrische Form aus der Gruppe der Polygone, der regelmäßigen Polygone, der Kreise oder der Ellipsen ausgewählt. Die zehnte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Gemäß einer elften bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Schichtanordnungen konzentrisch zueinander angeordnet. Jede Elektrode kann dabei eine die erste geometrische Form aufweisende Fläche aufweisen oder eine die erste geometrische Form aufweisende Fläche umschließen. Die erste geometrische Form stimmt dabei mit der geometrischen Form der innersten Fläche der konzentrischen Anordnung überein. Mit anderen Worten weisen die Außenumrandungen beziehungsweise Außenkonturen der Schichtanordnungen eine und dieselbe geometrische Form auf und sind somit geometrisch ähnlich zueinander. Folglich weisen auch die von den Außenkonturen der Schichtanordnungen umschlossenen Flächen jeweils eine und dieselbe geometrische Form auf. Beispielsweise kann die Fläche der innersten Schichtanordnung ein Kreis oder ein Viereck oder ein Sechseck sein. Die Fläche jeder weiter außen angeordneten Schichtanordnung ist dann ein Kreisring oder ein ringartiges Viereck oder ein ringartiges Sechseck. Die Außenkontur jeder Schichtanordnung ist in diesen Beispielen jeweils ein Kreis oder ein Viereck oder ein Sechseck. Auch eine Verwendung von elliptischen oder anderen polygonalen Formen ist grundsätzlich möglich. Die zu verwendenden polygonalen Formen umfassen regelmäßige und/oder unregelmäßige Polygone, wie zum Beispiel Dreiecke, Vierecke, Fünfecke oder Sechsecke. Die elfte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, bei dem die Schichtanordnungen konzentrisch zueinander angeordnet sind, sind die Schichtanordnungen symmetrisch um eine und dieselbe Achse angeordnet. Durch eine derartige Symmetrie werden der Einfluss der Richtungsabhängigkeit des zumindest von dem ersten Pumpstrom bewirkten Sauerstoff-Ionen-Flusses und der Einfluss der in dem jeweiligen Sensorelement existierenden Temperaturverteilung auf die zu messende erste Messspannung minimiert.
Gemäß einer zwölften bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein zuvor beschriebenes Sensorelement als Dickschicht-Sensorelement oder als Dünnschicht-Sensorelement ausgebildet. Die zwölfte bevorzugte Weiterbildung kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen und/oder deren Ausgestaltungen kombiniert werden.
Vorteilhaft bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, das als Dünnschicht-Sensorelement ausgebildet ist, ist, dass eine thermische Kapazität eines solchen Dünnschicht-Sensorelement geringer als eine thermische Kapazität eines Dickschicht-Sensorelementes ist. Dadurch wird eine zum Heizen eines solchen Dünnschicht-Sensorelementes benötigte elektrische Leistung reduziert.
Bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, das in Form eines Dickschicht-Sensorelements ausgebildet ist, weisen die Schichtanordnungen eine Schichtdicke auf, die größer oder gleich 50 µm bis 100 µm ist.
Bei einem zuvor beschriebenen Sensorelement, das in Form eines Dünnschicht-Sensorelements ausgebildet ist, weisen die Schichtanordnungen eine Schichtdicke auf, die kleiner oder gleich 1 µm bis 10 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 1 µm bis 5 µm, beträgt.
Ein zuvor beschriebenes Sensorelement, das in Form eines Dünnschicht-Sensorelements ausgebildet ist, wird bevorzugt mittels photolithografischer Verfahren und/oder Halbleiterverfahren hergestellt, die geringere Toleranzen in Vergleich zu einem beim Herstellen von Dickschichtsystemen z.B. verwendeten Siebdruckverfahren aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines sauerstoffhaltigen Messgases mittels eines zuvor beschriebenen Sensorelementes. Das Verfahren umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schritt. Gemäß dem ersten Schritt erfolgt ein Beaufschlagen der ersten Schichtanordnung mit dem ersten Pumpstrom. Gemäß dem zweiten Schritt erfolgt ein Messen der zwischen den zwei Elektroden der zweiten Schichtanordnung anliegenden ersten Messspannung. Gemäß dem dritten Schritt erfolgt ein Bestimmen des wenigstens einen Parameters anhand der ersten Messspannung und des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes des Referenzgases.
Bevorzugt umfasst das zuvor beschriebene Verfahren ferner einen vierten, einen fünften und einen sechsten Schritt. Gemäß dem vierten Schritt erfolgt ein Bestimmen einer zweiten Messspannung, die während des Beaufschlagens der ersten Schichtanordnung mit dem ersten Pumpstrom zwischen den zwei Elektroden der ersten Schichtanordnung anliegt. Gemäß dem fünften Schritt erfolgt ein Bestimmen eines ersten Widerstandes, der gleich einem ohmschen Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung ist, anhand des ersten Pumpstromes, der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung. Gemäß dem sechsten Schritt erfolgt ein Bestimmen einer Temperatur der ersten Schichtanordnung, die gleich einer Temperatur des Sensorelementes ist, anhand des ersten Widerstands.
Bevorzugt umfasst ein zuvor beschriebenes Verfahren ferner einen siebten, einen achten und einen neunten Schritt. Gemäß dem siebten Schritt erfolgt ein Beaufschlagen einer dritten der Schichtanordnungen des Sensorelementes mit einem, insbesondere gepulsten, ersten elektrischen Temperaturmesssignal. Gemäß dem achten Schritt erfolgt ein Bestimmen eines zweiten Widerstandes, der gleich einem ohmschen Innenwiderstand der dritten Schichtanordnung ist, anhand einer Auswertung einer Impedanz der dritten Schichtanordnung. Gemäß dem achten Schritt wird die Impedanz der dritten Schichtanordnung bevorzugt während des Beaufschlagens der dritten Schichtanordnung mit dem ersten Temperaturmesssignal ausgewertet. Gemäß dem neunten Schritt erfolgt ein Bestimmen einer Temperatur der dritten Schichtanordnung, die gleich einer Temperatur des Sensorelementes ist, anhand des zweiten Widerstands.
Der erste Schritt einerseits sowie der zweite und der dritte Schritt andererseits können parallel oder zeitlich hintereinander ausgeführt werden.
Der vierte, der fünfte und der sechste Schritt sowie der siebte, der achte und der neunte Schritt können parallel oder zeitlich versetzt zu dem ersten Schritt und/oder zu dem zweiten und dem dritten Schritt durchgeführt werden. Die Schritte des Verfahrens können auch iterativ durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Für gleiche Komponenten und Parameter werden jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Jede Komponente und jeder Parameter werden jeweils einmalig eingeführt und bei Wiederholung jeweils als schon bekannt behandelt, unabhängig davon, auf welche Zeichnung oder auf welches Ausführungsbeispiel sich ein jeweils entsprechender Beschreibungsteil, in dem die entsprechende Komponente oder der entsprechende Parameter wiederholt vorkommt, bezieht. In den Zeichnungen ist:
1 eine perspektivische Ansicht eines Sensorelementes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Draufsicht einer durchgehender Schicht des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die durchgehende Schicht mehrere Membranen aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial sowie eine wabenförmige Stützstruktur zum Aufnehmen der mehreren Membranen aufweist,
3 eine Draufsicht des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, und
4 eine Draufsicht eines Sensorelementes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Sensorelementes 10 zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines sauerstoffhaltigen Messgases. Das Sensorelement 10 weist eine erste Schichtanordnung 20, eine zweite Schichtanordnung 30, eine dritte Schichtanordnung 40 und eine auch als Referenzgaskammer bezeichnete Referenzkammer 50 auf. Die drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 sind im Wesentlichen in einer und derselben Ebene angeordnet und umfassen jeweils eine erste Elektrode 21, 31, 41, eine zweite Elektrode (nicht dargestellt) und wenigstens ein für Sauerstoff-Ionen durchlässiges Feststoffelektrolytelement (nicht dargestellt). Das Sensorelement 10 umfasst eine erste Fläche 11, die dem Messgas ausgesetzt ist, und eine zweite Fläche (nicht dargestellt), die einem sich in der Referenzkammer 50 befindlichen sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist. Dabei sind die erste Elektrode 21 der ersten Schichtanordnung 20, die erste Elektrode 31 der zweiten Schichtanordnung 30 und die erste Elektrode 41 der dritten Schichtanordnung 40 auf der ersten Fläche 11 des Sensorelementes 10 angeordnet und folglich dem Messgas ausgesetzt. Das Messgas weist einen Sauerstoffpartialdruck P1 auf. Ferner sind die zweite Elektrode der ersten Schichtanordnung 20, die zweite Elektrode der zweiten Schichtanordnung 30 und die zweite Elektrode der dritten Schichtanordnung 40 auf der zweiten Fläche des Sensorelementes 10 angeordnet und folglich dem Referenzgas ausgesetzt.
Die zwei Elektroden, also die ersten Elektroden 21, 31, 41 und die zweiten Elektroden (hier nicht sichtbar), einer jeder der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 sind bezüglich einer ersten Richtung 70 übereinander angeordnet und voneinander entlang der ersten Richtung 70 beabstandet angeordnet. Dabei verläuft die erste Richtung 70 senkrecht zu der Ebene, in der die drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 im Wesentlichen angeordnet sind. Das wenigstens eine Feststoffelektrolytelement jeder Schichtanordnung 20, 30, 40 ist zwischen den ersten Elektroden 21, 31, 41 und den zweiten Elektroden (die dem Referenzgas 50 zugewandt sind und hier nicht sichtbar sind) der jeweiligen Schichtanordnung 20, 30, 40 angeordnet und weist eine Dicke auf, die parallel zu der ersten Richtung 70 verläuft.
Die drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 sind galvanisch voneinander getrennt. Zur galvanischen Trennung der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 sind sowohl die ersten Elektroden 21, 31, 41 der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 als auch die zweiten Elektroden der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 als unterschiedliche und beabstandet voneinander angeordnete Komponenten ausgebildet. Zur elektrischen Kontaktierung der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 umfasst jede Schichtanordnung 20, 30, 40 ein der ersten Elektrode 21, 31, 41 der jeweiligen Schichtanordnung 20, 30, 40 zugeordnetes erstes Kontaktelement 25, 35, 45 und ein der zweiten Elektrode der jeweiligen Schichtanordnung 20, 30, 40 zugeordnetes zweites Kontaktelement 26, 36, 46. Dabei sind die ersten Kontaktelemente 25, 35, 45 jeweils an der zugeordneten ersten Elektrode 21, 31, 41 angebracht und jeweils mit der zugeordneten ersten Elektrode 21, 31, 41 elektrisch verbunden. Ferner sind die zweiten Kontaktelemente 26, 36, 46 jeweils an der zugeordneten zweiten Elektrode angebracht und jeweils mit der zugeordneten zweiten Elektrode elektrisch verbunden, z.B. als Durchkontaktierungen bzw. Vias durch die Schichtanordnungen 20, 30, 40. In einem alternativen Fall können die zweiten Elektroden auch elektrisch miteinander verbunden beziehungsweise als eine einzige gemeinsame Elektrodenschicht ausgebildet sein. In diesem Fall kann diese gemeinsame Elektrodenschicht als „Referenzelektrode“ bezeichnet werden.
Die erste Schichtanordnung 20 ist mit einem ersten Pumpstrom beaufschlagbar. Zum Beaufschlagen der ersten Schichtanordnung 20 mit dem ersten Pumpstrom ist die erste Schichtanordnung 20 über ihre zwei Kontaktelemente 25, 26 mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar. Bei geeigneter Wahl des ersten Pumpstromes tritt ein kontinuierlicher Sauerstoff-Fluss beziehungsweise Sauerstoff-Ionen-Fluss auf, der vom Messgas zum Referenzgas oder vom Referenzgas zum Messgas strömt und gleich einem über einen an der Referenzkammer 50 angebrachten Auslasskanal austretenden oder eintretenden Sauerstoff-Diffusionsfluss ist. Auf diese Weise wird ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck P2 des Referenzgases eingestellt, der innerhalb von vordefinierten Partialdruck-Messtoleranzen konstant ist. Infolge des ersten Pumpstromes wird ein definierter Druckunterschied zwischen dem Sauerstoffpartialdruck P1 des Messgases und dem vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck P2 des Referenzgases erzeugt. Infolge des definierten Druckunterschiedes tritt in jeder der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 eine gemäß der in der vorliegenden Anmeldung eingeführten Relation (1) definierte Nernst-Spannung auf.
Bei dem Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform kann während eines Beaufschlagens der ersten Schichtanordnung mit dem ersten Pumpstrom eine zwischen den Elektroden 31 der zweiten Schichtanordnung 30 anliegende erste Messspannung über die zwei auch als Spannungsabgriffe bezeichneten Kontaktelemente 35, 36 der zweiten Schichtanordnung 30 gemessen werden.
Da die die erste und die zweite Schichtanordnung 20, 30 galvanisch voneinander getrennt sind, kann der erste Pumpstrom nur über die erste Schichtanordnung 20 fließen. Da in Anwesenheit des ersten Pumpstromes kein oder nur ein vernachlässigbarer Strom über die zweite Schichtanordnung 30 fließt, ist die erste Messspannung an der zweiten Schichtanordnung 30 nicht von dem Innenwiederstand der zweiten Schichtanordnung 30 abhängig und gleich der genannten Nernst-Spannung. Über die zwei Kontaktelemente 35, 36 der zweiten Schichtanordnung 30 kann die erste Messspannung und folglich auch die genannte Nernst-Spannung genau gemessen werden.
Die in Anwesenheit des ersten Pumpstromes auftretende Nernst-Spannung ist von einer Temperatur des Sensorelementes 10, von dem Sauerstoffpartialdruck P1 des Messgases und von dem vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck P2 des Referenzgases abhängig. Folglich können mittels der genannten Nernst-Spannung der Sauerstoffpartialdruck P1 des Messgases und/oder eine im Messgas vorkommende Sauerstoffkonzentration erfasst werden. Mit anderen Worten kann mittels der genannten Nernst-Spannung wenigstens ein Parameter des Messgases erfasst werden, der den Sauerstoffpartialdruck P1 und/oder die Sauerstoffkonzentration des Messgases umfasst. Wenn das Messgas ein Abgas eines Fahrzeuges ist, kann einer des wenigstens einen Parameters eine mittels des Sauerstoffpartialdruckes P1 oder der Sauerstoffkonzentration des Abgases bestimmbare Luftzahl des Abgases sein. In einem solchen Fall kann das Sensorelement in einer Sprung- oder Breitband-Lambda-Sonde zum Erfassen der Luftzahl des Abgases eingesetzt werden.
Bei dem Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform ist eine Fläche jeder Elektrode 31 der zweiten Schichtanordnung 30 kleiner als eine Fläche jeder Elektrode 21 der ersten Schichtanordnung 20.
Um eine Messung einer Temperatur des Sensorelementes 10 durchführen zu können, ist die dritte Schicht mit einem gepulsten ersten elektrischen Temperaturmesssignal beaufschlagbar. Dazu wird ein ohmscher Widerstand der dritten Schichtanordnung 40 anhand einer Auswertung einer während eines Beaufschlagens der dritten Schichtanordnung 40 mit dem ersten Temperaturmesssignals vorkommenden Impedanz der dritten Schichtanordnung 30 bestimmt. Ferner wird eine Temperatur der dritten Schichtanordnung 40, die gleich der Temperatur des Sensorelementes 10 ist, anhand des ohmschen Innenwiderstandes der dritten Schichtanordnung 40 bestimmt. Dabei ist eine Fläche jeder Elektrode 41 der dritten Schichtanordnung 40 kleiner als eine Fläche jeder Elektrode 21, 31 der ersten und der zweiten Schichtanordnung 20, 30.
Das Sensorelement 10 kann in Form eines Dickschicht-Sensorelementes oder eines Dünnschicht-Sensorelementes ausgebildet sein.
Bei dem Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform sind die Festelektrolytelemente der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 als unterschiedliche Abschnitte einer einzelnen durchgehenden Schicht 60 ausgebildet.
2 zeigt eine Draufsicht der durchgehenden Schicht 60. Die durchgehende Schicht 60 weist mehrere jeweils aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildete Membranen 61 auf, die im Folgenden auch als („kleine“) Einzelmembranen 61 bzw. (Einzel)Membranen 61 bezeichnet werden können. Die durchgehende Schicht 60 weist ferner eine wabenförmige Stützstruktur 62 zum Aufnehmen der mehreren (Einzel)Membranen 61 auf. Die Stützstruktur 62 weist mehrere Waben auf, die jeweils einer der mehreren (Einzel)Membranen 61 zugeordnet sind. Dabei nimmt jede Wabe der Stützstruktur 62 die zugeordnete (Einzel)Membran 61 auf. Die Stutzstruktur 62 ist aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet, z.B. aus Siliziumnitrid (SiN), und trennt die (Einzel)Membranen 61 galvanisch voneinander. Dabei umfasst das wenigstens eine Feststoffelektrolytelement jeder Schichtanordnung 20, 30, 40 wenigstens eine der (Einzel)Membranen 61. Ferner befindet sich eine jede der wenigstens einen (Einzel)Membran 61 jeder Schichtanordnung 20, 30, 40 sowohl mit der ersten Elektrode 21, 31, 41 als auch mit der zweiten Elektrode der jeweiligen Schichtanordnung 20, 30, 40 in elektrischem Kontakt. Eine so ausgebildete durchgehende Schicht 60 ist robuster gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen als eine Schicht, die aus einer einzelnen „großen“ Membran besteht, die aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildet ist und zum Beispiel eine Fläche aufweist, die gleich einer Summe der Flächen der („kleinen“) Einzelmembranen 61 ist.
3 zeigt eine Draufsicht des Sensorelementes 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. In der 3 sind die dem Messgas auszusetzenden erste Fläche 11 des Sensorelementes 10 und die ersten Elektroden 21, 31, 41 der drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 dargestellt. Aus den 1 und 3 ist ersichtlich, dass die drei Schichtanordnungen 20, 30, 40 des Sensorelementes 10 nebeneinander angeordnet sind. Diese Anordnung lässt sich besonders einfach herstellen und erlaubt eine sehr einfache Kontaktierung der ersten und zweiten Elektroden 21, 31, 41 der drei Schichtanordnungen 20 30, 40. Um eine solche sehr einfache Kontaktierung zu ermöglichen, können die ersten und die zweiten Kontaktelemente 25, 35, 45, 26, 36, 46 beispielsweise am Rand der jeweiligen Schichtanordnungen 20, 30, 40 angeordnet werden.
Aus den 1 und 3 ist ferner ersichtlich, dass die erste Fläche 11 und die zweite Fläche des Sensorelementes 10 sowie die Elektroden 31, 41 der zweiten und der dritten Schichtanordnung 30, 40 jeweils die Form eines Quadrates ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind die Umrandungen beziehungsweise die Außenkonturen der ersten Fläche 11 und der zweiten Fläche des Sensorelements 10 sowie die Umrandungen beziehungsweise die Außenkonturen der Elektroden 31, 41 der zweiten und der dritten Schichtanordnung 30, 40 jeweils in Form eines Quadrates ausgebildet. Aus den 1 und 3 ist weiterhin ersichtlich, dass die Elektrode 21 der ersten Schichtanordnung 20 jeweils in Form eines Rechteckes ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind die Umrandungen beziehungsweise die Außenkonturen der Elektroden 21 der ersten Schichtanordnung 20 jeweils in Form eines Rechteckes ausgebildet. Hierbei ist auch eine Verwendung von anderen geometrischen Formen, wie zum Beispiel Kreisformen, elliptischen Formen oder polygonalen Formen, möglich. Die zu verwendenden polygonalen Formen umfassen regemäßige und/oder unregelmäßige Polygone, wie zum Beispiel Dreiecke, Vierecke, Fünfecke, Sechsecke, Siebenecke oder Achtecke. Die zweiten Elektroden der drei Schichtanordnungen können beispielsweise im Wesentlichen deckungsgleich zu den ersten Elektroden 21, 31, 41 bezüglich der Darstellung unterhalb der Festelektrolytmembran angeordnet sein.
4 zeigt eine Draufsicht eines Sensorelementes 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Sensorelement 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine erste Schichtanordnung 120 mit einer ersten Elektrode 121 und einer zweiten Elektrode (nicht dargestellt), eine zweite Schichtanordnung 130 mit einer ersten Elektrode 131 und einer zweiten Elektrode (nicht dargestellt) und eine dritte Schichtanordnung 140 mit einer ersten Elektrode 141 und einer zweiten Elektrode (nicht dargestellt). Anders als bei dem Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die drei Schichtanordnungen 120, 130, 140 des Sensors 100 gemäß der zweiten Ausführungsform konzentrisch zueinander angeordnet. Dabei ist die erste Schichtanordnung 120 die äußerste Schichtanordnung 120 des entsprechenden Sensorelementes 100. Ferner ist die zweite Schichtanordnung 130 die mittlere Schichtanordnung 130 des entsprechenden Sensorelementes 100. Weiterhin ist die dritte Schichtanordnung 140 die innerste Schichtanordnung 140 des entsprechenden Sensorelementes 100. Ansonsten sind die Sensorelemente 10, 100 gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform in gleicher Weise ausgebildet. Dabei weisen die erste, zweite und dritte Schichtanordnung 120, 130, 140 des Sensorelementes 100 gemäß der zweiten Ausführungsform jeweils die gleiche Funktionalität auf, wie die entsprechende erste, zweite oder dritte Schichtanordnung 20, 30, 40 des Sensorelementes 10 gemäß der ersten Ausführungsform. In der 4 sind eine dem Messgas ausgesetzte Fläche 101 des entsprechenden Sensorelementes 100 und die auf dieser ersten Fläche 101 angeordneten ersten Elektroden 121, 131, 141 der drei Schichtanordnungen 120, 130, 140 des entsprechenden Sensorelementes 100 dargestellt. Entsprechend, umfasst auch das Sensorelement 100 gemäß der zweiten Ausführungsform eine dem Referenzgas ausgesetzte zweite Fläche (nicht dargestellt), auf der die zweiten Elektroden der drei Schichtanordnungen 120, 130, 140 des entsprechenden Sensorelementes 100 angeordnet sind. Aus der 4 ist ersichtlich, dass die erste Fläche 101 und die zweite Fläche oder äquivalent die Außenkonturen beziehungsweise die Umrisse des entsprechenden Sensorelements 100 sowie die Elektroden 141 der dritten Schichtanordnung 140 des entsprechenden Sensorelementes 100 jeweils eine und dieselbe erste geometrische Form aufweisen, die hier beispielhaft mit einem Quadrat übereinstimmt. Aus der 4 ist ferner ersichtlich, dass die Elektroden 121, 131 der ersten und der zweiten Schichtanordnung 120, 130 des entsprechenden Sensors 100 jeweils eine Fläche umschließen, welche die erste geometrische Form aufweist, die hier beispielshaft mit einem Quadrat übereinstimmt. In einem solchen Fall, umfassen die von innen nach außen betrachteten Flächen der drei Schichtanordnungen 120, 130, 140 ein inneres Quadrat, einen mittleren Quadratring und einen äußeren Quadratring. Der Begriff Quadratring wird hier in Analogie zum Begriff Kreisring verwendet. Alternativ kann die erste geometrische Form mit einem anderen regelmäßigen Polygon, wie beispielsweise einem regelmäßigen Hexagon, oder mit einem Kreis übereinstimmen.
Bei dem Sensorelement 100 gemäß der zweiten Ausführungsform sind die drei Schichtanordnungen 120, 130, 140 konzentrisch zueinander und folglich symmetrisch um eine und dieselbe Achse angeordnet. Durch eine derartige Symmetrie werden ein Einfluss einer Richtungsabhängigkeit des zumindest von dem ersten Pumpstrom bewirkten Sauerstoff-Ionen-Flusses und ein Einfluss der in dem Sensorelement 100 gemäß der zweiten Ausführungsform existierenden Temperaturverteilung auf die zu messende erste Messspannung minimiert. Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 4 Bezug genommen.
In den 3 und 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die ersten Kontaktelemente 25, 35, 45 sowie die zweiten Kontaktelemente 26, 36, 46 nicht dargestellt worden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012201304 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Seiten 1338–1347 des Kraftfahrttechnischen Taschenbuches, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014 [0006]

Claims

Sensorelement (10; 100) zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines, insbesondere sauerstoffhaltigen, Messgases aufweisend wenigstens zwei Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) und eine Referenzkammer (50), wobei insbesondere die wenigstens zwei Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, wobei eine jede der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) zwei Elektroden (21, 31, 41; 121, 131, 141) und wenigstens ein dazwischenliegendes und für Sauerstoff-Ionen durchlässiges Feststoffelektrolytelement umfasst, wobei das Sensorelement (10; 100) eine dem Messgas auszusetzende erste Fläche (11; 101) und eine einem sich in der Referenzkammer (50) befindlichen sauerstoffhaltigen Referenzgas auszusetzende zweite Fläche aufweist und wobei eine erste der zwei Elektroden (21, 31, 41; 121, 131, 141) jeder Schichtanordnung (20, 30, 40; 120, 130, 140) auf der ersten Fläche (11; 101) und eine zweite der zwei Elektroden (21, 31, 41; 121, 131, 141) jeder Schichtanordnung (20, 30, 40; 120, 130, 140) auf der zweiten Fläche angeordnet sind, wobei die Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) galvanisch voneinander getrennt sind, wobei zum Einstellen eines vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes (P2) des Referenzgases eine erste der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) mit einem ersten Pumpstrom beaufschlagbar ist und wobei zum Messen des wenigstens eines Parameters eine zweite der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) zwei Spannungsabgriffe (35, 36) aufweist, über die eine zwischen den zwei Elektroden (31; 131) der zweiten Schichtanordnung (30; 130) anliegende erste Messspannung messbar ist.
Sensorelement (10; 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche jeder Elektrode (31; 131) der zweiten Schichtanordnung (30; 130) kleiner als eine Fläche jeder Elektrode (21; 121) der ersten Schichtanordnung (20; 120) ist.
Sensorelement (10; 100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10; 100) eine dritte Schichtanordnung (40; 140) umfasst, die insbesondere im Wesentlichen in derselben Ebene wie die erste und die zweite Schichtanordnung (20, 30; 120, 130) angeordnet ist, wobei die dritte Schichtanordnung (40; 140) galvanisch von der ersten und der zweiten Schichtanordnung (20, 30; 120, 130) getrennt ist und zum Messen einer Temperatur des Sensorelementes (10; 100) mit einem, insbesondere gepulsten, ersten elektrischen Temperaturmesssignal beaufschlagbar ist.
Sensorelement (10; 100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes (P2) des Referenzgases die dritte Schichtanordnung (40; 140) mit einem gepulsten zweiten Pumpstrom beaufschlagbar ist, wobei ein durch das erste Temperaturmesssignal hervorgerufener und durch die dritte Schichtanordnung (40; 140) fließender erster Temperaturmessstrom nicht gleichzeitig mit dem zweiten Pumpstrom einen von Null unterschiedlichen Stromwert annimmt.
Sensorelement (10; 100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche jeder Elektrode (41; 141) der dritten Schichtanordnung (40; 140) kleiner als eine Fläche jeder Elektrode (21, 31; 121, 131) der ersten und der zweiten Schichtanordnung (20, 30; 120, 130) ist.
Sensorelement (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur galvanischen Trennung der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) die ersten Elektroden (21, 31, 41; 121, 131, 141) und bevorzugt die zweiten Elektroden der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) als unterschiedliche und beabstandet voneinander angeordnete Komponenten ausgebildet sind.
Sensorelement (10; 100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elektroden der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) als, insbesondere sich nicht überlappende, Abschnitte einer einzelnen Referenzelektrode ausgebildet sind, die galvanisch voneinander getrennt sind oder elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Sensorelement (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytelemente der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) als unterschiedliche Abschnitte einer einzelnen durchgehenden Schicht (60) ausgebildet sind.
Sensorelement (10; 100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgehende Schicht (60) mehrere jeweils aus einem für Sauerstoff-Ionen durchlässigen Feststoffelektrolytmaterial ausgebildete Membranen (61) aufweist, wobei die Membranen (61) galvanisch voneinander getrennt sind und wobei das wenigstens eine Feststoffelektrolytelement jeder Schichtanordnung (20, 30, 40; 120, 130, 140) wenigstens eine der Membranen (61) umfasst, wobei sich eine jede der wenigstens einen Membran (61) jeder Schichtanordnung (20, 30, 40; 120, 130, 140) mit den zwei Elektroden (21, 31, 41; 121, 131, 141) der jeweiligen Schichtanordnung (20, 30, 40; 120, 130, 140) in elektrischem Kontakt befindet.
Sensorelement (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) nebeneinander oder ineinander geschachtelt angeordnet sind.
Sensorelement (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (11; 101) und die zweite Fläche des Sensorelementes (10; 100), insbesondere an ihren Außenumrissen, eine und dieselbe erste geometrische Form aufweisen, wobei die erste geometrische Form insbesondere aus der Gruppe der Polygone, der regelmäßigen Polygone, der Kreise oder der Ellipsen ausgewählt ist.
Sensorelement (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen (120, 130, 140) konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei jede Elektrode (121, 131, 141) insbesondere eine Fläche aufweist oder eine Fläche umschließt, die die erste geometrische Form aufweist.
Sensorelement (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10; 100) als Dickschicht-Sensorelement oder als Dünnschicht-Sensorelement ausgebildet ist.
Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Parameters eines sauerstoffhaltigen Messgases mittels eines Sensorelementes (10; 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: Beaufschlagen der ersten Schichtanordnung (20; 120) mit dem ersten Pumpstrom, Messen der zwischen den zwei Elektroden (31; 131) der zweiten Schichtanordnung (30; 130) anliegenden ersten Messspannung, und Bestimmen des wenigstens einen Parameters anhand der ersten Messspannung und des vorbestimmten Sauerstoffpartialdruckes (P2) des Referenzgases.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch: Bestimmen einer zweiten Messspannung, die während des Beaufschlagens der ersten Schichtanordnung (20; 120) mit dem ersten Pumpstrom zwischen den zwei Elektroden (21; 121) der ersten Schichtanordnung (20; 120) anliegt, Bestimmen eines ersten Widerstandes, der gleich einem ohmschen Innenwiderstand der ersten Schichtanordnung (20; 120) ist, anhand des ersten Pumpstromes, der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung, und Bestimmen einer Temperatur der ersten Schichtanordnung (20; 120), die gleich einer Temperatur des Sensorelementes (10; 100) ist, anhand des ersten Widerstands.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch: Beaufschlagen einer dritten der Schichtanordnungen (20, 30, 40; 120, 130, 140) des Sensorelementes (10; 100) mit einem, insbesondere gepulsten, ersten elektrischen Temperaturmesssignal, Bestimmen eines zweiten Widerstandes, der gleich einem ohmschen Innenwiderstand der dritten Schichtanordnung (40; 140) ist, anhand einer Auswertung einer Impedanz der dritten Schichtanordnung (40; 140), und Bestimmen einer Temperatur der dritten Schichtanordnung (40; 140), die gleich einer Temperatur des Sensorelementes (10; 100) ist, anhand des zweiten Widerstands.