DE102015223700A1

DE102015223700A1 - Sensor element, sensor device and method for detecting at least one property of a gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102015223700A1
Application number: DE102015223700.1A
Authority: DE
Inventors: Denis Kunz; Daniel PANTEL; 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
Also published as: CN106896150A

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110), eine Sensorvorrichtung (166) sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst: • mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer (114), wobei die Einstell- und Erfassungskammer (114) mindestens einen Einstellbereich (116) und mindestens einen Erfassungsbereich (117) aufweist, wobei der Einstellbereich (116) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist; • mindestens eine Messzelle (118), wobei die Messzelle (118) mindestens eine in dem Einstellbereich (116) angeordnete Messelektrode (142) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (132) angeordnete Referenzelektrode (144) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine erste Gaskomponente in dem Einstellbereich (116) zu erfassen; • mindestens eine erste Pumpzelle (120), wobei die erste Pumpzelle (120) eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich (116) zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich (116) zuzuführen; • mindestens eine zweite Pumpzelle (122), wobei die zweite Pumpzelle (122) mindestens eine in dem Erfassungsbereich (117) angeordnete Pumpelektrode (146) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich (116) zu entfernen; • wobei zwischen dem Einstellbereich (116) und ersten Pumpzelle (120) mindestens eine Membran (124) angeordnet ist, welche eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle (120) zu transportieren.A sensor element (110), a sensor device (166) and a method for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space (112) are proposed. The sensor element (110) comprises: • at least one adjustment and detection chamber (114), wherein the adjustment and detection chamber (114) has at least one adjustment region (116) and at least one detection region (117), wherein the adjustment region (116) is gas from the sample gas space (112) can be acted upon; At least one measuring cell (118), wherein the measuring cell (118) has at least one measuring electrode (142) arranged in the adjusting region (116) and at least one reference electrode (144) arranged in a reference gas chamber (132) and is arranged to be at least one first To detect gas component in the adjustment area (116); At least one first pump cell (120), the first pump cell (120) being arranged to completely or partially remove the first gas component from the adjustment region (116) or to supply the first gas component to the adjustment region (116); At least one second pumping cell, the second pumping cell having at least one pumping electrode arranged in the detection region and arranged to remove at least one second gas component from the detection region; Wherein between the adjustment region (116) and the first pumping cell (120) at least one membrane (124) is arranged, which is arranged to transport the first gas component without stress to the first pumping cell (120).

Description

Stand der Technik State of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. The present invention relates to a sensor element, a sensor device and a method for detecting at least one property of a gas in a sample gas space.

Gegenwärtig können keramische Stickoxidsensoren zur Erfassung eines Anteils von NOx in Abgasen, beispielsweise Zirkoniumoxid-basierte Sensoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen und/oder zu regeln. Dabei können Sensorelemente mittels Dickschichttechnologie gefertigt werden, wobei Abmessungen beispielsweise ca. 4 mm × 50 mm × 3 mm betragen können. Aufgrund solcher Abmessungen, das heißt aufgrund einer thermischen Masse, können zu einem Erreichen einer notwendigen Betriebstemperatur, beispielsweise von ca. 700 °C, Heizleistungen im einstelligen bis zweistelligen Watt-Bereich typisch sein. Presently, ceramic nitrogen oxide sensors can be used to detect a level of NOx in exhaust gases, such as zirconia-based sensors, particularly in automobiles, to monitor and / or regulate exhaust aftertreatment systems. In this case, sensor elements can be manufactured by means of thick film technology, wherein dimensions may be for example about 4 mm × 50 mm × 3 mm. Due to such dimensions, that is, due to a thermal mass, to achieve a necessary operating temperature, for example, of about 700 ° C, heating powers in the single-digit to double-digit watt range may be typical.

Derartige Stickoxidsensoren, z.B. in Form von Lambdasonden, sind z.B. bekannt aus dem Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 . Such nitrogen oxide sensors, for example in the form of lambda probes, are known, for example from the Automotive Handbook, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 ,

Bei derartigen Stickoxidsensoren kann Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffoxid (NO) zersetzt werden und ein Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) in einer Erfassungskammer des Stickoxidsensors erniedrigt sein. Dies kann insbesondere zu einem niedrigen Pumpstrom und daher auch zu einem niedrigen Sensorsignal führen. In such nitrogen oxide sensors, nitrogen dioxide (NO 2) may be decomposed into nitrogen oxide (NO) and a content of nitrogen dioxide (NO 2) in a detection chamber of the nitrogen oxide sensor may be lowered. This can in particular lead to a low pumping current and therefore also to a low sensor signal.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben genannten Herausforderungen zumindest teilweise umgehen oder lösen. Diese sind in den unabhängigen Ansprüchen dargestellt. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder auch in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. In the context of the present invention, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, a sensor device for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, and a method for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space At least partially circumvent or solve challenges. These are shown in the independent claims. Preferred developments of the invention, which can be implemented individually or in combination, are shown in the dependent claims.

Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer, welche mindestens einen Einstellbereich und mindestens einen Erfassungsbereich aufweist. Weiterhin weist das Sensorelement mindestens eine Messzelle, mindestens eine erste Pumpzelle und mindestens eine zweite Pumpzelle auf. Der Einstellbereich ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die Messzelle weist mindestens eine in dem Einstellbereich angeordnete Messelektrode und mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode auf und ist eingerichtet, um mindestens eine Gaskomponente in dem Einstellbereich zu erfassen. Die erste Pumpzelle ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich zuzuführen. Die zweite Pumpzelle weist mindestens eine in dem Erfassungsbereich angeordnete Pumpelektrode auf und ist eingerichtet, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus der dem Erfassungsbereich zu entfernen. Zwischen dem Einstellbereich und der ersten Pumpzelle ist mindestens eine Membran angeordnet, welche eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente spannungsfrei, also ohne das Anlegen einer elektrischen Spannung, zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. The sensor element for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space comprises at least one adjustment and detection chamber, which has at least one adjustment region and at least one detection region. Furthermore, the sensor element has at least one measuring cell, at least one first pumping cell and at least one second pumping cell. The adjustment range can be acted upon with gas from the sample gas space. The measuring cell has at least one measuring electrode arranged in the adjusting region and at least one reference electrode arranged in a reference gas chamber and is set up to detect at least one gas component in the adjusting region. The first pumping cell is configured to remove all or part of the first gas component from the adjustment range or to supply the first gas component to the adjustment range. The second pumping cell has at least one pumping electrode arranged in the detection area and is set up to remove at least one second gas component from the detection area. Between the adjustment region and the first pumping cell, at least one membrane is arranged, which is set up in order to transport the first gas component to the first pumping cell without voltage, that is to say without the application of an electrical voltage.

Unter dem Erfassen einer Gaskomponente kann z.B. die Bestimmung bzw. Erfassung ihres (relativen) Anteils in einem Gasgemisch bzw. ihr Partialdruck verstanden werden. Die Erfassungsgröße kann dabei z.B. ein Pumpstrom oder eine Spannung sein. Under the detection of a gas component, e.g. the determination or detection of their (relative) proportion in a gas mixture or their partial pressure are understood. The detection quantity can be e.g. be a pumping current or a voltage.

Die erste Gaskomponente kann dabei Sauerstoff (O2) sein. Die zweite Gaskomponente kann dabei allgemein Stickoxid (NOx) sein, das in Abhängigkeit von der Temperatur zu unterschiedlichen Anteilen z.B. aus Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Distickstoffmonoxid (N2O), etc. zusammengesetzt ist. In der Regel dominieren dabei die Anteile von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). In einem simplifizierten Modell, das für die weitere Betrachtung zugrunde gelegt wird, addiert sich die Summe der Anteile von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) im Stickoxid (NO) zu 100%. Grundsätzlich nimmt mit steigender Temperatur der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) im Stickoxid (NOx) ab. Ein Messsignal, das auf der Zersetzung des Stickoxids (NOx) in Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) bzw. der Ionen dieser Gase und einem Pumpstrom zum Abpumpen des freigewordenen Sauerstoffs bzw. der Sauerstoffionen basiert ist somit umso größer, je höher der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) mit zwei Sauerstoffatomen pro Molekül ist. The first gas component may be oxygen (O2). The second gas component may generally be nitrogen oxide (NOx) which, depending on the temperature, may be divided into different proportions, e.g. is composed of nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2), nitrous oxide (N 2 O), etc. As a rule, the proportions of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) dominate. In a simplified model, which is used for further analysis, the sum of the proportions of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) in nitrogen oxide (NO) adds up to 100%. In principle, the proportion of nitrogen dioxide (NO2) in nitrogen oxide (NOx) decreases with increasing temperature. A measurement signal which is based on the decomposition of the nitrogen oxide (NOx) into nitrogen (N2) and oxygen (O2) or the ions of these gases and a pumping current for pumping off the released oxygen or oxygen ions is therefore the greater, the higher the proportion at nitrogen dioxide (NO2) with two oxygen atoms per molecule.

Der Begriff "Messgasraum" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Verbrennungsmotor. Der "Referenzgasraum" kann insbesondere mindestens ein Gas mit mindestens einer bekannten Zusammensetzung aufweisen, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft. The term "measuring gas space" in the context of the present invention refers in particular to a gas space in a motor vehicle, for example an exhaust gas tract in an internal combustion engine. The "reference gas space" may in particular comprise at least one gas having at least one known composition, for example air, in particular ambient air.

Unter einem "Gas" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Stoff im gasförmigen Zustand zu verstehen, welcher einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt. Im Allgemeinen kann der gasförmige Zustand eines Stoffes temperatur- und/oder druckabhängig sein. Das Gas kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen, welches mehrere Gaskomponenten umfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um Abgas handeln und z.B. unter anderem Sauerstoff (O2), Stickoxide (allgemein: NOx, d.h. beispielsweise NO, NO2, etc. in verschiedenen Konzentrationen), Ammoniak (NH3), Stickstoff (N2) und weitere Gase enthalten. Auch andere Gase oder Gasgemische sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Under a "gas" in the context of the present invention is basically any substance in the gaseous state to understand, which opposes any slow shear shear resistance. In general, the gaseous state of a substance may be temperature and / or pressure dependent. The gas may be present as a pure substance or as a substance mixture which comprises a plurality of gas components. For example, the gas may be exhaust gas and include, but not limited to, oxygen (O2), nitrogen oxides (generally NOx, ie, NO, NO2, etc. at various concentrations), ammonia (NH3), nitrogen (N2), and other gases contain. However, other gases or gas mixtures are basically used.

Die wenigstens eine Pumpzelle und die wenigstens eine Messzelle bzw. Messpumpzelle können in der Art einer Membranschicht ausgebildet sein und z.B. eine Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 50μm aufweisen. Die Membranschicht ist in einer Ebene senkrecht zu ihrer Dicke als flächige Struktur ausgebildet, wobei in der Regel die Erstreckung der Membran entlang der Ebene erheblich größer ist als die Dicke, z.B. um einen Faktor im Bereich von 10 bis 10000. Zusätzlich kann die Pumpzelle und/oder die Messzelle auf jeder Seite der Membranschicht entlang der Schichtdickenrichtung betrachtet eine bevorzugt poröse Elektrode umfassen. The at least one pumping cell and the at least one measuring cell or measuring pumping cell may be designed in the manner of a membrane layer, and e.g. have a thickness in the range of 0.5 microns to 50 microns. The membrane layer is formed in a plane perpendicular to its thickness as a planar structure, wherein the extension of the membrane along the plane is generally considerably greater than the thickness, e.g. In addition, the pumping cell and / or the measuring cell on each side of the membrane layer viewed along the layer thickness direction may comprise a preferably porous electrode.

Eine von der Pumpzelle und/oder Messzelle bzw. Messpumpzelle umfasste Membranschicht bzw. keramische Membranschicht bzw. Festkörperelektrolythmembranschicht ist erfindungsgemäß eine Membran im chemischen Sinne, und somit ein beispielsweise keramisches Material, das die Diffusion spezifischer chemischer Verbindungen erlaubt und/oder unterbindet. Die von der Pumpzelle und/oder Messzelle bzw. Messpumpzelle umfasste Membran ist „gasdicht“. Das bedeutet, dass kein Gas durch die Membranschicht diffundieren kann (es sei denn, es sind spezielle Diffusionskanäle, z.B. durch Poren ausgebildet). Allerdings können Ionen durch die Membranschicht diffundieren, wie z.B. Wasserstoff- oder Sauerstoffionen. Dabei sind Sauerstoffionen bevorzugt. Ferner trennt die Membranschicht beispielsweise räumlich zwei Gasräume (z.B. Abgas von Referenzluft, oder z.B. den Messgasraum von der Einstell- und Erfassungskammer oder z.B. den Einstellbereich vom Referenzgasraum oder z.B. den Erfassungsraum vom einer (dritten) Ausnehmung, etc.). According to the invention, a membrane layer or ceramic membrane layer or solid-state electrolyte membrane layer encompassed by the pump cell and / or measuring cell or measuring pump cell is a membrane in the chemical sense, and thus, for example, a ceramic material which permits and / or prevents the diffusion of specific chemical compounds. The membrane encompassed by the pumping cell and / or measuring cell or measuring pump cell is "gas-tight". This means that no gas can diffuse through the membrane layer (unless there are special diffusion channels, e.g., formed by pores). However, ions may diffuse through the membrane layer, e.g. Hydrogen or oxygen ions. In this case, oxygen ions are preferred. Further, for example, the membrane layer spatially separates two gas spaces (e.g., exhaust gas of reference air, or, for example, the measurement gas space from the adjustment and detection chamber or the adjustment range from the reference gas space or the detection space from a (third) recess, etc.).

Unter einer chemischen Verbindung wird dabei im Sinne der Erfindung eine spezifische chemische Verbindung, eine chemisches Element, eine Gruppe von chemischen Verbindungen und Derivate der vorstehend benannten chemischen Verbindungen verstanden. Bei derartigen chemischen Elementen oder Verbindungen kann es sich, lediglich beispielhaft, um Sauerstoffionen (O^2–), Protonen (H⁺) oder Hydroxidionen (OH^–) handeln. For the purposes of the invention, a chemical compound is understood to mean a specific chemical compound, a chemical element, a group of chemical compounds and derivatives of the abovementioned chemical compounds. By way of example only, such chemical elements or compounds may be oxygen ions (O ^2- ), protons (H ⁺ ) or hydroxide ions (OH ^- ).

Grundsätzlich liegen in den einzelnen Kammern bzw. den einzelnen Räumen bzw. Bereichen somit überwiegend elektrisch neutrale Gase bzw. Gaskomponenten vor, z.B. Sauerstoff (O₂ oder O2), Stickstoff (N₂ oder N2), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂ oder NO2), etc. An den Zellen bzw. Membranschichten bzw. an den Elektroden kann dann wenigstens eine Gaskomponente, z.B. Sauerstoff (O₂) in Ionen (z.B. Sauerstoffionen: O^2–-Ionen) zersetzt werden. Unter dem Pumpen von Sauerstoff durch die Membranschichten bzw. eine Zelle ist dann der ionische Transport von Gas-Ionen (z.B. der Sauerstoffionen) durch die Membranschicht (z.B. Festkörperelektrolythmembranschicht) und/oder die Elektroden zu verstehen. An der Elektrode, die stromabwärts des Ionentransports angeordnet ist können dann die Gasionen wieder in elektrisch neutrales Gas zurückgewandelt werden: z.B. gemäß der chemischen Gleichung 2O^2– – 4e^– → O₂. Im folgenden Text wird daher nicht immer streng zwischen den elektrisch neutralen Gasen und deren Ionen unterschieden. Vielmehr ergibt sich die Bedeutung, ob es sich um das elektrisch neutrale Gas (z.B. O2) oder um das entsprechende Gas-Ion, z.B. O2–, handelt aus dem Kontext, also je nachdem, ob es sich um eine Kammer, einen Raum handelt, oder um das Innere einer Zelle, also z.B. den Transport durch eine Festkörperelektrolythmembranschicht bzw. eine Festelektrolythmembranschicht. Eine Perforation, die durchlässig ist für elektrisch neutrale Gase (z.B. NO, NO2, O2, N2, etc.) ist hierbei entsprechend wie ein Raum bzw. eine Kammer zu verstehen. Basically, there are predominantly electrically neutral gases or gas components in the individual chambers or the individual spaces or areas, for example oxygen (O ₂ or O ₂ ), nitrogen (N ₂ or N ₂ ), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO ₂ or NO 2), etc. At least one gas component, for example oxygen (O ₂ ) in ions (eg oxygen ions: O ^2- ions) can then be decomposed at the cells or membrane layers or at the electrodes. The pumping of oxygen through the membrane layers or a cell then means the ionic transport of gas ions (for example the oxygen ions) through the membrane layer (eg solid electrolyte membrane layer) and / or the electrodes. For example, according to the chemical equation 2O ² - 4e ^- → O _2: at the electrode, which is arranged downstream of the ion transport the gas ions can then be converted back into electrically neutral gas. The following text therefore does not always strictly distinguish between the electrically neutral gases and their ions. Rather, the meaning of whether it is the electrically neutral gas (eg O2) or the corresponding gas ion, eg O2- arises from the context, that is, depending on whether it is a chamber, a room, or around the interior of a cell, ie, for example, transport through a solid electrolyte membrane layer or a solid electrolyte membrane layer. A perforation that is permeable to electrically neutral gases (eg, NO, NO2, O2, N2, etc.) is here to be understood as a room or a chamber.

Die Eigenschaft des Gases kann insbesondere ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas sein, insbesondere ein NOx-Anteil. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, um die Eigenschaft des Gases qualitativ und alternativ oder zusätzlich auch quantitativ zu erfassen. Die erste Gaskomponente kann insbesondere Sauerstoff (O2) sein. Die zweite Gaskomponente kann insbesondere mindestens eine Sauerstoffverbindung umfassen, insbesondere NOx mit einem bestimmten Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). The property of the gas may in particular be a proportion of an oxygen compound in the gas, in particular a NOx content. The sensor element can be set up to qualitatively and alternatively or additionally also quantitatively detect the property of the gas. The first gas component may in particular be oxygen (O 2). The second gas component may in particular comprise at least one oxygen compound, in particular NOx with a specific ratio of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2).

Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Gaskomponente sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Gaskomponenten und mehrere Arten von zweiten Gaskomponenten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Gaskomponenten, beispielsweise eine oder mehrere dritte Gaskomponenten, vorhanden sein. The terms "first" and "second" gas components are to be regarded as pure designations without indicating an order or ranking and, for example, without precluding the possibility that several types of first gas components and several types of second gas components, or just one type in each case, may be provided. Furthermore, additional gas components, for example one or more third gas components, may be present.

Unter einem "Sensorelement" kann im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein elektrisches Gerät verstanden werden, welches Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Sensorelement kann eine Schnittstelle aufweisen, welche hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) sein, welche verschiedenste Funktionen des Sensorelements umfasst. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise diskrete Bauelemente aufweisen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, welche beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the sense of the present invention, a "sensor element" can basically be understood to mean an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof. The sensor element may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of an application-specific integrated circuit (ASIC), for example, which comprises various functions of the sensor element. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules, which are present for example on a microcontroller in addition to other software modules.

Das Sensorelement kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement sein. Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Dies bezieht sich insbesondere auf die Dicken von funktionalen Elementen, wie z.B. der wenigstens einen Pumpzelle bzw. der wenigstens einen Messpumpzelle. Unter Dicke ist hierbei insbesondere die Schichtdickenrichtung zu verstehen, d. h. diejenige Richtung in welcher die Ionen von einer Kammer in die nächste Kammer bzw. von einem Raum in den nächsten Raum durch die Zelle hindurch transportiert werden. Beispielsweise kann die Herstellung des mikromechanischen Sensorelements überwiegend oder vollständig durch Halbleiter-Prozesse, d.h. vor allem durch die Verwendung photolithografischer Verfahren zur Strukturierung und Modifizierung von Oberflächen erfolgen. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Dickschichttechnologie eine Strukturierung vor allem durch Siebdruck-Verfahren. Das mikromechanische Sensorelement kann im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtsensoren geringere Abmessungen und geringere Toleranzen aufweisen. The sensor element may in particular be a micromechanical sensor element. The term "micromechanical" in the context of the present invention is generally to be understood as meaning the property of a three-dimensional structure which has dimensions in the micrometer range, i. in the range below 1 mm. This relates in particular to the thicknesses of functional elements, e.g. the at least one pumping cell or the at least one measuring pumping cell. Thickness here is to be understood in particular the layer thickness direction, d. H. the direction in which the ions are transported from one chamber into the next chamber or from one room into the next room through the cell. For example, the fabrication of the micromechanical sensor element may be predominantly or completely by semiconductor processes, i. especially by the use of photolithographic processes for structuring and modification of surfaces. In contrast, in the case of thick-film technology, structuring takes place primarily by screen-printing methods. The micromechanical sensor element can have smaller dimensions and lower tolerances compared to conventional thick-film sensors.

Das Sensorelement kann mindestens ein Trägersubstrat aufweisen. Unter einem "Trägersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um ein oder mehrere weitere Elemente zu tragen und welches dementsprechend eine mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere kann es sich um ein Halbleitersubstrat handeln, welches mikromechanisch strukturiert ist. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat mehrere Halbleitersubstrate umfassen, welche mittels Waferbonden miteinander verbunden sind. Das Trägersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat Silizium umfassen. Auch andere halbleitende oder isolierende Materialien wie Siliziumcarbid, GaN, Saphir und Glas sind grundsätzlich denkbar. The sensor element may have at least one carrier substrate. In the context of the present invention, a "carrier substrate" is fundamentally understood to mean an element which is set up to carry one or more further elements and which accordingly has a mechanical stability. In particular, it may be a semiconductor substrate which is micromechanically structured. The carrier substrate may be, for example, a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate. In particular, the carrier substrate may comprise a plurality of semiconductor substrates, which are interconnected by wafer bonding. The carrier substrate may be formed in particular as a chip. In particular, the carrier substrate may comprise silicon. Other semiconducting or insulating materials such as silicon carbide, GaN, sapphire and glass are also conceivable.

Das Trägersubstrat kann eine oder mehrere Ausnehmungen umfassen. Der Begriff "Ausnehmung" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in das Trägersubstrat von einer Trägersubstratoberfläche aus hineinragenden Hohlraum handeln. Die Ausnehmung kann grundsätzlich eine beliebige Grundform aufweisen. Beispielsweise kann die Ausnehmung quaderförmig ausgestaltet sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Beispielsweise kann die Ausnehmung einen polygonalen (dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, etc.), elliptischen oder runden Querschnitt aufweisen. The carrier substrate may comprise one or more recesses. The term "recess" in the context of the present invention refers to a free and / or open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the carrier substrate from a carrier substrate surface. The recess can basically have any basic shape. For example, the recess may be configured cuboid. Other embodiments are conceivable in principle. For example, the recess may have a polygonal (triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, etc.), elliptical or circular cross section.

Insbesondere kann der Referenzgasraum bzw. ein Zugang zu dem Referenzgasraum ganz oder teilweise durch eine erste Ausnehmung in dem Trägersubstrat gebildet sein. Das Trägersubstrat kann weiterhin mindestens eine zweite Ausnehmung aufweisen. Die zweite Pumpzelle kann eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich in bzw. durch die zweite Ausnehmung zu pumpen. In particular, the reference gas space or an access to the reference gas space may be wholly or partly formed by a first recess in the carrier substrate. The carrier substrate may further comprise at least one second recess. The second pumping cell may be configured to pump the second gas component from the detection area into or through the second recess.

Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Ausnehmung sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Ausnehmungen und/oder mehrere Arten von zweiten Ausnehmungen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Ausnehmungen, beispielsweise eine oder mehrere dritte Ausnehmungen, vorhanden sein. Die zweite Ausnehmung kann verschieden zu der ersten Ausnehmung sein oder auch ganz oder teilweise identisch mit der ersten Ausnehmung sein. The terms "first" and "second" recess are to be considered as pure descriptions without indicating an order or ranking and, for example, without precluding the possibility that several types of first recesses and / or several types of second recesses or exactly one kind may be provided can. Furthermore, additional recesses, for example one or more third recesses, may be present. The second recess may be different from the first recess or even completely or partially identical to the first recess.

Die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle und/oder die Messzelle können gegenüber dem Trägersubstrat durch mindestens ein Isolationsmaterial elektrisch isoliert sein. Der Begriff "Isolationsmaterial" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material, welches eingerichtet ist, um einen von dem Isolationsmaterial zumindest teilweise abgegrenzten Bereich von dem übrigen Trägersubstrat elektrisch zu isolieren. The first pumping cell and / or the second pumping cell and / or the measuring cell may be electrically insulated from the carrier substrate by at least one insulating material. In the context of the present invention, the term "insulating material" fundamentally refers to any material which is set up to electrically isolate a region which is at least partially demarcated from the insulating material from the remaining carrier substrate.

Dazu kann das Isolationsmaterial bevorzugt eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das umgebende Material aufweisen, z.B. wenigstens einen um den Faktor 10, bevorzugt wenigstens um den Faktor 1000 geringere Leitfähigkeit. Das Isolationsmaterial kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid; einem elektrisch isolierenden Kunststoff. For this purpose, the insulating material may preferably have a lower electrical conductivity than the surrounding material, for example at least one order the factor 10, preferably at least a factor of 1000 lower conductivity. The insulating material may comprise at least one material selected from the group consisting of: a silicon compound, in particular silicon nitride or silicon dioxide; an aluminum compound, in particular aluminum oxide or aluminum nitride; an electrically insulating plastic.

Der Begriff "Einstell- und Erfassungskammer" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen beliebig ausgestalteten Hohlraum, welcher ganz oder zumindest teilweise innerhalb des Sensorelements angeordnet ist. Die Einstell- und Erfassungskammer kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Einstell- und Erfassungskammer kann den mindestens einen Einstellbereich und den mindestens einen Erfassungsbereich umfassen. Der Einstellbereich ist mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. So kann der Einstellbereich mit dem Messgasraum beispielsweise gasleitend verbunden sein, z.B. durch ein gasdurchlässiges Material mit einer definierten Porosität oder durch wenigstens eine Öffnung, wobei diese wenigstens eine Öffnung einen sehr geringen Durchmesser haben kann. Insbesondere kann der Einstellbereich eingerichtet sein, um eine Gaszusammensetzung eines Messmediums einzustellen. Bei dem Messmedium kann es sich beispielsweise um ein Abgas bzw. Abgasgemisch eines Kraftfahrzeugs, Umgebungsluft oder dergleichen handeln. Der Erfassungsbereich kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Eigenschaft des Gases zu erfassen. Die Begriffe "Einstellbereich" und "Erfassungsbereich" bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich Teile bzw. Teilräume bzw. Bereiche bzw. Abschnitte der Einstell- und Erfassungskammer. Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können insbesondere nebeneinander angeordnet bzw. einander benachbart sein. Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können sich teilweise überlappen. Weiterhin können der Einstellbereich und der Erfassungsbereich durch mindestens ein Bauteil voneinander getrennt sein, insbesondere durch wenigstens eine Diffusionsbarriere. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar. The term "adjustment and detection chamber" in the context of the present invention basically designates an arbitrarily configured cavity which is arranged completely or at least partially within the sensor element. The adjustment and detection chamber may for example have a cuboid basic shape. However, other embodiments are conceivable in principle. The adjustment and detection chamber may comprise the at least one adjustment region and the at least one detection region. The adjustment range can be acted upon by the gas from the sample gas space. For example, the adjustment range may be gas-conductively connected to the measurement gas space, e.g. by a gas-permeable material having a defined porosity or by at least one opening, wherein said at least one opening can have a very small diameter. In particular, the adjustment range can be set up to set a gas composition of a measurement medium. The measuring medium may be, for example, an exhaust gas or exhaust gas mixture of a motor vehicle, ambient air or the like. The detection area can be set up in particular to detect the at least one property of the gas. The terms "adjustment range" and "detection range" in the sense of the present invention basically designate parts or partial spaces or areas or sections of the adjustment and detection chamber. The adjustment region and the detection region can in particular be arranged next to one another or adjacent to one another. The setting range and the detection range may partially overlap. Furthermore, the adjustment range and the detection range can be separated from one another by at least one component, in particular by at least one diffusion barrier. However, other embodiments are conceivable.

Der Begriff "Zelle" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges elektrochemisches Element mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. Die Zelle kann insbesondere ganz oder teilweise als Pumpzelle ausgestaltet sein oder genutzt werden, welche mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar ist und mit einem Strom und/oder einer Spannung beaufschlagbar ist. Die Zelle kann alternativ ganz oder teilweise als Nernstzelle ausgestaltet sein oder genutzt werden. The term "cell" in the context of the present invention basically refers to any electrochemical element having at least two electrodes and at least one solid electrolyte connecting the electrodes. In this case, the solid-state electrolyte may have a membrane-like design and be arranged between the electrodes along a layer thickness direction. In particular, the cell can be wholly or partially configured or used as a pump cell, which can be connected to an electrical energy source and can be acted upon by a current and / or a voltage. Alternatively, the cell may be wholly or partially configured as a Nernst cell or used.

Die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle können jeweils mindestens zwei Pumpelektroden aufweisen. Insbesondere können die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle jeweils mindestens einen Schichtaufbau aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden und mindestens einen die Pumpelektroden verbindenden Festkörperelektrolyten aufweist. Der Festelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. Bei der zweiten Pumpzelle kann mindestens eine der Pumpelektroden dem Erfassungsbereich zuweisen und katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein und eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Die Zersetzung kann dabei z.B. durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden bewirkt werden. Dabei kann die Spannung bevorzugt derart gewählt werden, dass sie größer ist als das (ggf. durch die katalytische Wirkung der Elektrode herabgesetzte) elektrochemische Potenzial, welches notwendig ist, um eine an der Elektrode befindliche Gaskomponente zu zersetzen. Z.B. kann so NO in Stickstoff und Sauerstoff bzw. deren Ionen zersetzt werden. Die Messelektrode und die Referenzelektrode der Messzelle können durch mindestens einen Festkörperelektrolyten verbunden sein. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. The first pumping cell and / or the second pumping cell may each have at least two pumping electrodes. In particular, the first pumping cell and / or the second pumping cell can each have at least one layer structure which has at least two pumping electrodes and at least one solid electrolyte which connects the pumping electrodes. The solid electrolyte may be formed like a membrane and may be arranged between the electrodes as viewed along a layer thickness direction. In the second pumping cell, at least one of the pumping electrodes may be assigned to the detection region and be catalytically active with respect to the second gas component and configured to decompose the second gas component. The decomposition may be e.g. be effected by the application of a voltage between the electrodes. In this case, the voltage may preferably be chosen such that it is greater than the (possibly reduced by the catalytic effect of the electrode) electrochemical potential which is necessary to decompose a gas component located at the electrode. For example, Thus NO can be decomposed into nitrogen and oxygen or their ions. The measuring electrode and the reference electrode of the measuring cell can be connected by at least one solid electrolyte. In this case, the solid-state electrolyte may have a membrane-like design and be arranged between the electrodes along a layer thickness direction.

Unter einem "Schichtaufbau" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Abfolge von mindestens zwei Schichten, welche direkt oder unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten aufeinander aufgebracht sind, zu verstehen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Weiterhin kann der Schichtaufbau Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. In the context of the present invention, a "layer structure" is basically a sequence of at least two layers which are applied to one another directly or with the interposition of one or more intermediate layers. The layer structure may comprise several layers of the same material. Furthermore, the layer structure may comprise layers of different materials. Other embodiments are conceivable in principle.

Unter einem "Festkörperelektrolyten" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt Zirkoniumdioxid (ZrO₂) umfassen, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Die Membran kann weiterhin mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Ferrit, vorzugsweise Lanthanstrontiumcobaltferrit (La_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-f)), besonders bevorzugt Bariumstrontiumcobaltferrit (Ba_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-f)). In the context of the present invention, a "solid-state electrolyte" is to be understood as meaning a solid having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. In particular, the solid electrolyte may comprise zirconia (ZrO ₂ ), preferably yttria-stabilized zirconia (YSZ). Other materials are also conceivable. The membrane may further comprise at least one material selected from the group consisting of: a Ferrite, preferably lanthanum strontium cobalt ferrite (La _(1-x) Sr _x Co _y Fe _(1-y) O _(3-f) ), more preferably barium strontium cobalt ferrite (Ba _(1-x) Sr _x Co _y Fe _(1-y) O ₎ _(3-f) ).

Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen zwischen dem Element und dem Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode Ionen in den Festkörperelektrolyten eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen (O^2–), was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus dem Festkörperelektrolyten ausgetragen werden und beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas (2O^2– – 4e^– → O₂), wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln. An "electrode" in the context of the present invention generally means an element for the exchange of ions between the element and the solid electrolyte. In particular, ions can be introduced into the solid electrolyte by means of the electrode, for example oxygen ions (O ^2- ), which is also referred to as "incorporation" of the ions, and / or ions are discharged from the solid electrolyte and converted, for example, into a gas, for example oxygen gas (2O ^2- - 4e ^- → O ₂ ), whereby this process can also be called "expansion" of the ions. The electrodes may thus be, in particular, electrical contacts for the electrical and / or ionic contacting of a solid electrolyte.

Insbesondere kann es sich um ein poröses, elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial handeln. Unter einem "porösen" elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial sind im Allgemeinen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Materialien zu verstehen, welche Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial erfolgen, wobei das Gas an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen umgewandelt wird, wobei die Ionen in ein Gitter des Festkörperelektrolyten eingebaut werden können. In particular, it may be a porous, electrically conductive electrode material. In the context of the present invention, a "porous" electrically conductive electrode material is generally to be understood as meaning materials which have pores, such that a gas passage through the porous, electrically conductive electrode material is possible. Thus, for example, a gas passage through the porous, electrically conductive electrode material take place, wherein the gas is converted at an interface between the electrode and the solid electrolyte into ions, wherein the ions can be incorporated into a grid of the solid electrolyte.

Der Einstellbereich und der Messgasraum können durch mindestens eine erste Diffusionsbarriere verbunden sein. The adjustment range and the measurement gas space may be connected by at least one first diffusion barrier.

Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können durch mindestens eine zweite Diffusionsbarriere verbunden sein. The adjustment area and the detection area may be connected by at least one second diffusion barrier.

Der Begriff "Diffusionsbarriere" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um ein oder mehrere Gaskomponenten des Gases zu transportieren bzw. welches durchlässig für wenigstens eine Gaskomponente ist. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere mindestens ein poröses Material umfassen. Die Diffusionsbarriere kann aus mindestens einem Material hergestellt sein bzw. mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Zirkoniumdioxid; einem Halbleiter, insbesondere Silizium. Auch andere Materialien sind jedoch grundsätzlich denkbar. Das keramische Material kann insbesondere eine durchschnittliche Porengröße zwischen 10 nm und 500 µm, insbesondere zwischen 50 nm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 10 µm aufweisen. Das Halbleitermaterial kann insbesondere eine durchschnittliche Porengröße zwischen 100 nm und 5000 µm, insbesondere zwischen 500 nm und 1000 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und 500 µm aufweisen. The term "diffusion barrier" in the context of the present invention basically designates any element which is set up to transport one or more gas components of the gas or which is permeable to at least one gas component. The diffusion barrier may in particular comprise at least one porous material. The diffusion barrier can be made of at least one material or comprise at least one material selected from the group consisting of: a ceramic material, in particular aluminum oxide, in particular zirconium dioxide; a semiconductor, in particular silicon. However, other materials are also conceivable in principle. The ceramic material may in particular have an average pore size between 10 nm and 500 μm, in particular between 50 nm and 100 μm, particularly preferably between 100 nm and 10 μm. The semiconductor material may in particular have an average pore size between 100 nm and 5000 μm, in particular between 500 nm and 1000 μm, particularly preferably between 1 μm and 500 μm.

Unter einer "Membran" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Element mit einer länglichen Form und einer Dicke zu verstehen, wobei die Ausdehnung des Elements in lateraler Dimension die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise um einen Faktor von 200 bis 500. Insbesondere kann die Membran eine Sauerstoffmembran sein, welche für einen ionischen Transport von Sauerstoff eingerichtet ist. Hierfür kann die Membran insbesondere mindestens einen Festkörperelektrolyten oder einen keramischen Mischleiter umfassen und ionisch leitfähige Eigenschaften aufweisen. In the context of the present invention, a "membrane" is generally to be understood as meaning any element having an elongated shape and a thickness, wherein the dimension of the element in lateral dimension exceeds the thickness of the element, for example by a factor of 10 to 1000, preferably by a factor of 200 to 500. In particular, the membrane may be an oxygen membrane adapted for ionic transport of oxygen. For this purpose, the membrane may in particular comprise at least one solid electrolyte or a ceramic mixed conductor and have ionically conductive properties.

Die Membran kann mindestens einen Schichtaufbau umfassen. Beispielsweise kann der Schichtaufbau mindestens zwei poröse Elektroden sowie mindestens einen die porösen Elektroden verbindenden ionenleitenden Festkörperelektrolyten umfassen. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. The membrane may comprise at least one layer structure. By way of example, the layer structure may comprise at least two porous electrodes and at least one ion-conducting solid-state electrolyte which connects the porous electrodes. In this case, the solid-state electrolyte may have a membrane-like design and be arranged between the electrodes along a layer thickness direction.

Die Membran kann weiterhin elektrisch leitfähig sein. Insbesondere kann die Membran mindestens ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Die porösen Elektroden können mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; einer Platin-Legierung, insbesondere Platin-Gold, insbesondere Platin- Rhodium. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Beispielsweise können die porösen Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sein, insbesondere mittels mindestens einer Durchkontaktierung. Die Durchkontaktierung kann insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, beispielsweise aus Platin. Weiterhin kann die Durchkontaktierung einen Durchmesser von 100 nm bis 10 µm, vorzugsweise von 500 nm bis 50 µm und besonders bevorzugt von 1 µm bis 100 µm aufweisen. Die Membran kann insbesondere katalytisch aktiv gegenüber der ersten Gaskomponente sein. Weiterhin kann die Membran katalytisch inaktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein. Unter katalytischer Aktivität kann dabei die Veränderung des elektrochemischen Potenzials einer Gaskomponente verstanden werden, welche mit der Membran in Wechselwirkung tritt. The membrane can furthermore be electrically conductive. In particular, the membrane may comprise at least one electrically conductive material. The porous electrodes may comprise at least one material selected from the group consisting of: platinum; a platinum alloy, in particular platinum-gold, in particular platinum-rhodium. Other materials are also conceivable. For example, the porous electrodes may be electrically short-circuited, in particular by means of at least one plated-through hole. The plated-through hole can in particular be made of an electrically conductive material, for example of platinum. Furthermore, the via can have a diameter of 100 nm to 10 .mu.m, preferably of 500 nm to 50 .mu.m and more preferably of 1 .mu.m to 100 .mu.m. The membrane may in particular be catalytically active with respect to the first gas component. Furthermore, the membrane may be catalytically inactive relative to the second gas component. Catalytic activity can be understood as meaning the change in the electrochemical potential of a gas component which interacts with the membrane.

Die Membran ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. Der Begriff „spannungsfrei“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich, dass ein Anlegen einer elektrischen Spannung an die Membran nicht notwendig ist, um die erste Gaskomponente zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. The membrane is configured to de-energize the first gas component to the first one Pump cell to transport. The term "stress-free" in the context of the present invention basically means that an application of an electrical voltage to the membrane is not necessary in order to transport the first gas component to the first pumping cell.

Vielmehr ist ein Konzentrationsgefälle der ersten Gaskomponente (z.B. Sauerstoff) von der einen Seite der Membran zu der anderen Seite der Membran ausreichend. Die erste Gaskomponente diffundiert dann lediglich aufgrund des Konzentrationsgradienten zu derjenigen Seite, auf der die Sauerstoffkonzentration geringer ist. Rather, a concentration gradient of the first gas component (e.g., oxygen) from one side of the membrane to the other side of the membrane is sufficient. The first gas component then diffuses only on the basis of the concentration gradient to the side on which the oxygen concentration is lower.

In einer Ausführungsform kann die Membran einen Schichtaufbau umfassen, wobei der Schichtaufbau zwei Elektroden umfasst. Wenigstens eine der beiden Elektroden kann porös sein. Dadurch kann ein Transport von Sauerstoff vorteilhaft verbessert werden. In an embodiment, the membrane may comprise a layer structure, the layer structure comprising two electrodes. At least one of the two electrodes may be porous. Thereby, a transport of oxygen can be advantageously improved.

In einer Ausführungsform kann die Membran zwischen den beiden Elektroden angeordnet sein, wobei die beiden Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind. Der elektrische Kurzschluss kann z.B. mittels einer Durchkontaktierung aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Metall umfassend, durch die Membran hindurch ausgebildet sein. Dadurch werden vorteilhaft die Membran sowie die beiden Elektroden der Membran auf dasselbe elektrische Potenzial gelegt. Dadurch wird bewirkt, dass eine Zersetzung von Gaskomponenten an der Membran aufgrund elektrischer Potenziale stark unterdrückt bzw. verhindert wird. Somit kann die Membran tatsächlich als eine Barriere dienen, die verhindert, dass Stickoxide, insbesondere Stickstoffdioxid (NO₂) an der Sauerstoff-Membran bzw. der Membran zersetzt werden. Gleichzeitig schirmt die Membran diese Gaskomponenten (mit Ausnahme von Sauerstoff) von der Pumpzelle ab. Im Einstellbereich wird somit der Anteil an Stickstoffdioxid (NO₂) vorteilhaft erhöht. In one embodiment, the membrane may be disposed between the two electrodes, with the two electrodes being electrically shorted. The electrical short circuit can be formed, for example, by means of a through-connection made of an electrically conductive material, for example comprising metal, through the membrane. As a result, the membrane and the two electrodes of the membrane are advantageously set to the same electrical potential. This causes a decomposition of gas components on the membrane due to electrical potentials is strongly suppressed or prevented. Thus, the membrane can actually serve as a barrier which prevents nitrogen oxides, especially nitrogen dioxide (NO ₂ ), from being decomposed at the oxygen membrane or membrane. At the same time, the membrane shields these gas components (with the exception of oxygen) from the pumping cell. In the adjustment range, the proportion of nitrogen dioxide (NO ₂ ) is thus advantageously increased.

Die Membran und die erste Pumpzelle können in einem Abstand zueinander angeordnet sein, derart, dass zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle mindestens eine Zwischenkammer ausgebildet ist. Alternativ können die Membran und die erste Pumpzelle in einer Stapelanordnung so angeordnet sein, dass kein Zwischenraum ausgebildet ist. Die Schichten sind mit anderen Worten direkt aufeinander angeordnet. The membrane and the first pumping cell may be arranged at a distance from each other, such that at least one intermediate chamber is formed between the membrane and the first pumping cell. Alternatively, the membrane and the first pumping cell may be arranged in a stacked arrangement such that no gap is formed. The layers are in other words arranged directly on top of each other.

Das Sensorelement kann weiterhin mindestens ein Heizelement umfassen. Das Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um den mindestens einen Festkörperelektrolyten und alternativ oder zusätzlich die mindestens zwei Pumpelektroden zu heizen. Das Heizelement kann insbesondere als mikrosystemtechnischer Membranheizer ausgeführt sein. The sensor element may further comprise at least one heating element. The heating element may in particular be designed to heat the at least one solid electrolyte and, alternatively or additionally, the at least two pump electrodes. The heating element can in particular be designed as a microsystem membrane heater.

Es wird weiterhin eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement nach einem der oben beschriebenen oder nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsbeispiele. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle, mindestens eine erste elektrische Messvorrichtung und mindestens eine zweite elektrische Messvorrichtung. Die elektrische Energiequelle ist mit der ersten Pumpzelle und/oder mit der zweiten Pumpzelle verbunden und eingerichtet, um die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die elektrische Messvorrichtung ist mit der Messzelle verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messzelle zu erfassen. Die zweite elektrische Messvorrichtung ist eingerichtet, um einen Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle zu erfassen. Furthermore, a sensor device for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space is proposed. The sensor device comprises at least one sensor element according to one of the exemplary embodiments described above or below. The sensor device further comprises at least one electrical energy source, at least one first electrical measuring device and at least one second electrical measuring device. The electrical energy source is connected to the first pumping cell and / or to the second pumping cell and configured to apply a pumping current and / or a pumping voltage to the first pumping cell and / or the second pumping cell. The electrical measuring device is connected to the measuring cell and configured to detect an electrical voltage at the measuring cell. The second electrical measuring device is set up to detect a pumping current through the second pumping cell.

Unter einer Energiequelle kann in dieser Anmeldung beispielsweise eine Strom- oder Spannungsquelle verstanden werden, mit welcher die wenigstens eine Pumpozelle oder die wenigsten Messpumpzelle mit elektrischer Energie (Strom und/oder Spannung) versorgt werden kann. In this application, an energy source can be understood, for example, to be a current or voltage source with which the at least one pump cell or the fewest pumping cell can be supplied with electrical energy (current and / or voltage).

In einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung mindestens eine erste elektrische Energiequelle und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle umfassen. Die erste elektrische Energiequelle kann mit der ersten Pumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die erste Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Energiequelle kann mit der zweiten Pumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die zweite Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. In a further embodiment, the sensor device may comprise at least one first electrical energy source and at least one second electrical energy source. The first electrical energy source may be connected to the first pump cell and configured to apply a pumping current and / or a pumping voltage to the first pumping cell. The second electrical energy source may be connected to the second pumping cell and configured to apply a pumping current and / or a pumping voltage to the second pumping cell.

Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" elektrische Energiequelle sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Rangfolge oder Reihenfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten elektrischen Energiequellen und/oder mehrere Arten von zweiten Energiequellen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche elektrische Energiequellen, beispielsweise eine oder mehrere dritte elektrische Energiequellen vorhanden sein. The terms "first" and "second" electrical energy source are to be regarded as pure descriptions, without any precedence or order and exclude, for example, without the possibility that several types of first electric energy sources and / or several types of second energy sources or just one kind can be provided. Furthermore, additional electrical energy sources, for example, one or more third electrical energy sources may be present.

Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens eine Regelvorrichtung umfassen, welche mit der ersten elektrischen Messvorrichtung und der ersten elektrischen Energiequelle verbunden ist und eingerichtet ist, um mittels der ersten Pumpzelle einen Anteil der ersten Gaskomponente in dem Einstellbereich auf einen Sollwert zu regeln. The sensor device may further comprise at least one control device, which is connected to the first electrical measuring device and the first electrical energy source and is arranged to control by means of the first pumping cell, a proportion of the first gas component in the adjustment range to a desired value.

Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Verwendung des Sensorelements nach einem der Ausführungsbeispiele, welche bereits beschrieben wurden oder im Folgenden noch beschrieben werden. Furthermore, in the context of the present invention, a method for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space is proposed. The method comprises a use of the sensor element according to one of the exemplary embodiments, which have already been described or will be described below.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen. The method according to the invention can comprise the method steps which are described below. The method steps may preferably be carried out in the predetermined order. In this case, one or even several method steps can be performed simultaneously or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of the method steps can be carried out simply or repeatedly. The method may additionally comprise further method steps.

Das Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen des Sensorelements;
b) Beaufschlagen des Einstellbereichs mit dem Gas aus dem Messgasraum;
c) Einstellen einer Sollgaszusammensetzung in dem Einstellbereich mittels der Messzelle und der ersten Pumpzelle; und
d) Erfassung eines Pumpstroms an der zweiten Pumpzelle.

The method for detecting at least one property of a gas in a sample gas space comprises the following steps:

a) providing the sensor element;
b) applying the adjustment range with the gas from the sample gas chamber;
c) setting a desired gas composition in the adjustment range by means of the measuring cell and the first pumping cell; and
d) detecting a pumping current at the second pumping cell.

In Schritt c) kann die Sollgaszusammensetzung insbesondere eine Luftzahl von λ = 1 sein. Der Begriff „Luftzahl“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine dimensionslose Kennzahl, welche ein Massenverhältnis aus einer für eine Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und einer für die Verbrennung mindestens notwendige Luftmasse angibt. In step c), the desired gas composition may in particular be an air ratio of λ = 1. The term "air ratio" in the context of the present invention basically designates a dimensionless characteristic number which indicates a mass ratio of an air mass available for combustion and an air mass which is at least necessary for the combustion.

Es können auch weitere Schritte vorgesehen sein, z.B.

e) Eindiffundieren des um O2 entreicherten Gases aus dem Einstellbereich in den Erfassungsbereich;
f) Spalten der zweiten Gaskomponente (z.B. NOx, NO2, NO) in Zersetzungsprodukte (z.B. Sauerstoff, Stickstoff);
g) Pumpen der Zersetzungsprodukte aus dem Erfassungsbereich in die dritte Ausnehmung bzw. in einen Referenzgasraum.

It may also be provided further steps, eg

e) diffusing the O2 de-enriched gas from the adjustment range into the detection range;
f) splitting the second gas component (eg, NO x, NO 2, NO) into decomposition products (eg, oxygen, nitrogen);
g) pumping the decomposition products from the detection area into the third recess or into a reference gas space.

Das vorgeschlagene Sensorelement, die vorgeschlagene Sensorvorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Zwischen dem Einstellbereich und der ersten Pumpzelle ist die Membran angeordnet. Insbesondere kann die Membran eingerichtet sein, um die erste Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, da ohne angelegte Spannung bzw. durch die kurzgeschlossenen Elektroden beidseitig der Membran die zweite Gaskomponente an der dem Einstellbereich zugewandten Seite der Membran, insbesondere NOx, grundsätzlich weniger oder nicht zersetzt wird, insbesondere wird Stickstoffdioxid (NO2) grundsätzlich weniger oder nicht in Stickstoffmonoxid (NO) zersetzt. Ein Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) in dem Erfassungsbereich kann dadurch erhöht sein. Somit sind im Erfassungsbereich mehr Sauerstoffatome vorhanden, die nach einer Zersetzung von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) als Sauerstoff bzw. Sauerstoffionen abgepumpt werden können bzw. müssen – dadurch wird vorteilhaft das Messsignal, das sich aus dem Pumpstrom bestimmt, erhöht und die Messgenauigkeit somit verbessert. Wie oben bereits dargelegt wurde kann die als Dünnschichtsystem ausgebildete Anordnung auch bei einer geringeren Temperatur (z.B. bei lediglich 350°C bis 450°C) als in einem herkömmlichen System (Temperaturen dort z.B. 650°C bis 800°C) betrieben werden. Dies erhöht den Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) relativ zu Stickstoffmonoxid (NO) im Stickoxid zusätzlich. Da eine Zersetzung von Stickstoffdioxid (NO2) an der dem Einstellbereich zugewandten, kurzgeschlossenen Elektrode der Membran nicht stattfinden kann, kann im Erfassungsbereich ein gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich erhöhter Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) eingestellt werden. The proposed sensor element, the proposed sensor device and the proposed method have numerous advantages over known devices and methods. Between the adjustment range and the first pumping cell, the membrane is arranged. In particular, the membrane can be designed to transport the first gas component, in particular oxygen, to the first pumping cell without voltage. This may be particularly advantageous, since without applied voltage or by the short-circuited electrodes on both sides of the membrane, the second gas component at the adjustment region facing side of the membrane, in particular NOx, is basically less or not decomposed, in particular nitrogen dioxide (NO2) is basically less or not decomposed into nitric oxide (NO). A proportion of nitrogen dioxide (NO 2) in the detection area can thereby be increased. Thus, more oxygen atoms are present in the detection range, which can be pumped off as oxygen or oxygen ions after decomposition of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2) - this advantageously increases the measurement signal, which is determined by the pumping current, and the Measurement accuracy improved. As stated above, the arrangement formed as a thin film system can also be operated at a lower temperature (e.g., at only 350 ° C to 450 ° C) than in a conventional system (temperatures there, e.g., 650 ° C to 800 ° C). This additionally increases the proportion of nitrogen dioxide (NO 2) relative to nitrogen monoxide (NO) in the nitrogen oxide. Since decomposition of nitrogen dioxide (NO 2) can not take place at the short-circuited electrode of the diaphragm facing the adjustment range, a significantly increased proportion of nitrogen dioxide (NO 2) can be set in the detection range compared to conventional systems.

Ein Anteil von Stickoxiden in dem Messgasraum kann anschließend berechnet werden. Die Membran kann eingerichtet sein, um das Gas in dem Einstellbereich von der Pumpspannung der Pumpzelle abzuschirmen. Die Sauerstoffatome der Stickoxide (NOx) in dem Erfassungsbereich können durch den höheren Stickstoffdioxidanteil (NO2) in dem Gas erhöht sein. In der Ausführungsform, in welcher das Sensorelement ein mikromechanisches Sensorelement ist, kann das Sensorelement bereits bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtsensoren kann das, z.B. mikromechanisch ausgebildete, Sensorelement eine vergleichsweise höhere Sauerstoffionenleitfähigkeit aufgrund einer geringeren Schichtdicke des Festkörperelektrolyten aufweisen. Bei einem Betrieb eines üblichen mikromechanischen Sensorelements bei einer Temperatur von 400 °C kann beispielsweise damit ein Messsignal um etwa ein Drittel erhöht sein. A proportion of nitrogen oxides in the sample gas space can then be calculated. The membrane may be configured to shield the gas in the adjustment range from the pumping voltage of the pumping cell. The oxygen atoms of the nitrogen oxides (NOx) in the detection area may be increased by the higher nitrogen dioxide content (NO2) in the gas. In the embodiment in which the sensor element is a micromechanical sensor element, the sensor element can already be operated at low temperatures. Compared to conventional thick-film sensors, this can be done e.g. micromechanically formed, sensor element have a comparatively higher oxygen ion conductivity due to a smaller layer thickness of the solid electrolyte. In an operation of a conventional micromechanical sensor element at a temperature of 400 ° C, for example, thus a measurement signal may be increased by about one-third.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl die Erhöhung des Stickstoffdioxidanteils im Stickoxid durch Betrieb bei einer geringerer Temperatur gelingt als auch vorteilhaft durch die der Pumpzelle vorgelagerte, dem Einstellbereich zugewandte Membran verhindert wird, dass dieses Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) zersetzt wird. In summary, it can be stated that both the increase of the Nitrogen dioxide content in the nitrogen oxide by operating at a lower temperature succeeds and is advantageously prevented by the pump cell upstream, the adjustment region facing membrane that this nitrogen dioxide (NO2) is decomposed into nitric oxide (NO).

Das Gas kann aus dem Messgasraum in den Einstellbereich diffundieren. Sauerstoff aus dem Gas kann an der zu dem Einstellbereich orientierten Pumpelektrode der ersten Pumpzelle in Sauerstoffionen umgewandelt werden. Aufgrund einer Differenz in einem Sauerstoffpartialdruck zwischen dem Einstellbereich und der zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle gebildeten Zwischenkammer kann ein Sauerstofftransport in die Zwischenkammer hinein oder aus ihr heraus stattfinden. Der Sauerstoff aus der Zwischenkammer kann abgepumpt werden, bis in dem Einstellbereich ein Sollwert von λ = 1 herrscht. Dadurch kann insbesondere ein Sauerstoffpartialdruckgefälle aufrechterhalten werden. The gas can diffuse from the sample gas chamber into the adjustment range. Oxygen from the gas may be converted to oxygen ions at the pumping electrode of the first pumping cell oriented to the adjustment range. Due to a difference in oxygen partial pressure between the adjustment region and the intermediate chamber formed between the membrane and the first pumping cell, oxygen transport into or out of the intermediate chamber may occur. The oxygen from the intermediate chamber can be pumped out, until in the adjustment range a nominal value of λ = 1 prevails. As a result, in particular an oxygen partial pressure gradient can be maintained.

Die Membran kann elektrisch leitfähig sein oder die Elektroden der Membran können elektrisch kurzgeschlossen sein. Sie kann daher ohne elektrisches Feld zwischen den Elektroden der Membran ausgebildet sein, also auf einem konstanten elektrischen Potenzial liegen. Weiterhin ist eine Spannung für den Transport des Sauerstoffs nicht erforderlich. Die Elektrode kann eingerichtet sein, um über Katalyse das Gleichgewichtsverhältnis zwischen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) herzustellen. Die Stickstoffdioxidkonzentration in dem Einstellbereich und damit auch in dem Erfassungsbereich kann demnach gegenüber dem Stand der Technik erhöht sein. The membrane may be electrically conductive or the electrodes of the membrane may be electrically shorted. It can therefore be formed without an electric field between the electrodes of the membrane, so are at a constant electric potential. Furthermore, a voltage for the transport of oxygen is not required. The electrode may be configured to catalyze the equilibrium ratio of nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2). The nitrogen dioxide concentration in the adjustment range and thus also in the detection range can therefore be increased compared to the prior art.

Die Membran kann aus einem keramischen Mischleiter, welcher insbesondere elektrisch leitfähig und sauerstoffionenleitend ist, hergestellt sein, insbesondere aus einem Ferrit oder aus einem Festkörperelektrolyten, dessen Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind, beispielsweise durch eine Durchkontaktierung durch den Elektrolyten. Zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle kann ein Hohlraum ausgebildet sein oder die Membran und die erste Pumpzelle können als Stapelanordnung ohne zwischenliegenden Hohlraum realisiert sein. The membrane may be made of a ceramic mixed conductor, which is in particular electrically conductive and oxygen ion conductive, in particular of a ferrite or of a solid electrolyte whose electrodes are electrically short-circuited, for example by a through-hole through the electrolyte. A cavity can be formed between the membrane and the first pumping cell, or the membrane and the first pumping cell can be realized as a stacked arrangement without an intermediate cavity.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung der Anteile an Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) in Stickoxid (NOx) in Abhängigkeit von der Temperatur; 1 a schematic representation of the proportions of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) in nitrogen oxide (NOx) as a function of the temperature;

2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; und 2 a sectional view of a sensor element according to the invention for detecting at least one property of a gas in a measuring gas chamber; and

3 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. 3 schematic representation of a sensor device according to the invention for detecting at least one property of a gas in a sample gas space.

Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments

In 1 ist eine Darstellung eines simplifizierten Modells der Anteile an Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) in Stickoxid (NOx) in Abhängigkeit von der Temperatur gezeigt. Dabei handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung, die lediglich modelhaften Charakter haben soll. Auf die Darstellung von ebenfalls Stickoxid (NOx) enthaltene weitere Gaskomponenten, beispielsweise N2O, N2O2, etc. wird hier bewusst verzichtet, da diese Komponenten üblicherweise lediglich einen sehr geringen Anteil im Stickoxid (NOx) ausmachen. In 1 is a representation of a simplified model of the proportions of nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) in nitrogen oxide (NOx) as a function of temperature. It is a simplified representation, which should have only model-like character. On the representation of also nitrogen oxide (NOx) contained further gas components, such as N2O, N2O2, etc. is deliberately omitted here, since these components usually make up only a very small proportion of nitrogen oxide (NOx).

Auf der X-Achse ist die Temperatur in °C aufgetragen von 0°C bis 1000°C. Auf der Y-Achse ist die Konzentration eines Gas-Anteils (hier also NO bzw. NO2) in einem Volumen von gasförmigem Stickoxid (NOx) in Prozent aufgetragen. Es sind zwei Kurven aufgetragen. On the X-axis, the temperature in ° C is plotted from 0 ° C to 1000 ° C. On the Y-axis, the concentration of a gas portion (here, NO or NO2) in a volume of gaseous nitrogen oxide (NOx) is plotted in percent. There are two curves applied.

Eine erste Kurve stellt den Anteil der Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO) im Stickoxid dar (S-förmige Kurve). Es ist gut zu erkennen, dass die Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO) bis ca. 200°C bei nahezu 0% liegt. Von 200°C bis ca. 700°C steigt die Konzentration steil an und ist dann ab ca. 600°C bei nahezu 100% gesättigt. A first curve represents the proportion of the concentration of nitrogen monoxide (NO) in the nitrogen oxide (S-shaped curve). It is good to see that the concentration of nitrogen monoxide (NO) is up to about 200 ° C at almost 0%. From 200 ° C to about 700 ° C, the concentration increases steeply and is then from about 600 ° C at nearly 100% saturated.

Eine zweite Kurve stellt die Konzentration von Stickstoffdioxid (NO2) dar. Da die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) sich zu 100% addieren müssen verläuft diese zweite Kurve somit komplementär zur ersten Kurve. Die Konzentration von Stickstoffdioxid (NO2) ist also bis ca. 200°C nahezu bei 100% und fällt dann steil ab, bis ab ca. 700°C der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) auf deutlich unter 5% fällt. A second graph shows the concentration of nitrogen dioxide (NO2). Since the concentrations of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) must add up to 100%, this second curve is thus complementary to the first curve. The concentration of nitrogen dioxide (NO2) is thus up to about 200 ° C almost 100% and then drops steeply, from about 700 ° C, the proportion of nitrogen dioxide (NO2) drops to well below 5%.

Um ein hohes Messsignal in der Sensoranordnung zu erzeugen ist es vorteilhaft, möglichst viele Sauerstoffatome in dem Erfassungsbereich vorliegen zu haben, z.B. indem der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) gegenüber Stickstoffmonoxid (NO) erhöht wird. Gelingt es also, wie z.B. bei einem Dünnschichtsystem, welches z.B. mikromechanisch hergestellt ist, bei geringeren Temperaturen zu arbeiten und dennoch wegen der geringen Schichtdicken eine ausreichend hohe Transportrate von Gaskomponenten durch Schichtsysteme zu erreichen, so kann der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) deutlich erhöht werden. In order to produce a high measurement signal in the sensor arrangement, it is advantageous to have as many oxygen atoms as possible in the detection area, for example by increasing the proportion of nitrogen dioxide (NO 2) to nitrogen monoxide (NO). So it succeeds, as with a Thin-film system, which is micromechanically produced, for example, to operate at lower temperatures and yet achieve a sufficiently high transport rate of gas components through layer systems because of the low layer thicknesses, the proportion of nitrogen dioxide (NO 2) can be significantly increased.

In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 in einer Schnittdarstellung dargestellt. In 2 is an embodiment of a sensor element according to the invention 110 for detecting at least one property of a gas in a sample gas space 112 shown in a sectional view.

Das Sensorelement 110 umfasst mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer 114, welche mindestens einen Einstellbereich 116 und mindestens einen Erfassungsbereich 117 aufweist, mindestens eine Messzelle 118, mindestens eine erste Pumpzelle 120, mindestens eine zweite Pumpzelle 122 und mindestens eine Membran 124. The sensor element 110 includes at least one adjustment and detection chamber 114 which have at least one adjustment range 116 and at least one detection area 117 has at least one measuring cell 118 , at least one first pumping cell 120 , at least a second pumping cell 122 and at least one membrane 124 ,

Das Sensorelement 110 kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement 126 sein. Das Sensorelement 110 kann mindestens ein Trägersubstrat 128 aufweisen. Das Trägersubstrat 128 kann eine erste Ausnehmung 130 aufweisen. Durch die erste Ausnehmung 130 kann ganz oder teilweise ein Referenzgasraum 132 in dem Trägersubstrat 128 gebildet sein, der z.B. mit Luft gefüllt bzw. beaufschlagt ist. Das Trägersubstrat 128 kann weiterhin mindestens eine zweite Ausnehmung 134 sowie eine dritte Ausnehmung 136 aufweisen. Die zweite Ausnehmung 134 und/oder die dritte Ausnehmung 136 können von der ersten Ausnehmung 130 verschieden sein oder auch ganz oder teilweise identisch sein. Die erste Pumpzelle 120, die zweite Pumpzelle 122 und die Messzelle 118 können gegenüber dem Trägersubstrat 128 durch mindestens ein Isolationsmaterial 138 elektrisch isoliert sein. The sensor element 110 in particular, a micromechanical sensor element 126 be. The sensor element 110 may be at least one carrier substrate 128 exhibit. The carrier substrate 128 can be a first recess 130 exhibit. Through the first recess 130 can completely or partially a reference gas space 132 in the carrier substrate 128 be formed, for example, filled with air or charged. The carrier substrate 128 can continue at least one second recess 134 and a third recess 136 exhibit. The second recess 134 and / or the third recess 136 can from the first recess 130 be different or completely or partially identical. The first pump cell 120 , the second pump cell 122 and the measuring cell 118 can with respect to the carrier substrate 128 by at least one insulation material 138 be electrically isolated.

Die Einstell- und Erfassungskammer 114 kann als quaderförmiger Hohlraum innerhalb des Trägersubstrats 128 ausgebildet sein. Insbesondere können die Einstellkammer 116 und die Erfassungskammer 117 jeweils als quaderförmiger Hohlraum innerhalb des Trägersubstrats 128 ausgebildet sein. Der Einstellbereich 116 ist mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Die kann z.B. erreicht werden durch wenigsten eine (kleine) Öffnung und/oder durch das Vorsehen eines gasdurchlässigen Materials in einem Bereich der Einstell- und Erfassungskammer, welcher an den Messgasraum angrenzt. Insbesondere kann der Einstellbereich 116 eingerichtet sein, um eine Gaszusammensetzung eines Messmediums (z.B. Abgas) einzustellen. Insbesondere können der Einstellbereich 116 und der Messgasraum 112 durch mindestens eine erste Diffusionsbarriere 140 verbunden sein. Der Erfassungsbereich 117 kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Eigenschaft des Gases (z.B. NOx-Anteil bzw. NOx-Gehalt) zu erfassen. Der Einstellbereich 116 und der Erfassungsbereich 117 können durch mindestens eine zweite Diffusionsbarriere 164 verbunden sein. The adjustment and detection chamber 114 can as a cuboid cavity within the carrier substrate 128 be educated. In particular, the adjustment chamber 116 and the detection chamber 117 each as a cuboid cavity within the carrier substrate 128 be educated. The adjustment range 116 is with gas from the sample gas chamber 112 acted upon. This can be achieved, for example, by at least one (small) opening and / or by the provision of a gas-permeable material in an area of the setting and detection chamber which adjoins the measuring gas space. In particular, the adjustment range 116 be set up to adjust a gas composition of a measuring medium (eg exhaust gas). In particular, the adjustment range 116 and the sample gas space 112 by at least one first diffusion barrier 140 be connected. The coverage area 117 In particular, it can be set up in order to detect the at least one property of the gas (eg NOx content or NOx content). The adjustment range 116 and the coverage area 117 can through at least one second diffusion barrier 164 be connected.

Die Messzelle 118 ist eingerichtet, um mindestens eine erste Gaskomponente in dem Einstellbereich 116 zu erfassen. Die Messzelle 118 weist mindestens eine in dem Einstellbereich 116 angeordnete bzw. dem Einstellbereich 116 zugewandte Messelektrode 142 und mindestens eine in dem Referenzgasraum 132 angeordnete bzw. dem Referenzgasraum 132 zugewandte Referenzelektrode 144 auf. Die Messelektrode 142 und die Referenzelektrode 144 der Messzelle 118 können durch mindestens einen Festkörperelektrolyten 150 verbunden sein. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die Messzelle 118: vom Referenzgasraum 132 zum Einstellbereich 116 zeigend) betrachtet zwischen den Elektroden 142, 144 angeordnet sein. The measuring cell 118 is arranged to at least a first gas component in the adjustment range 116 capture. The measuring cell 118 has at least one in the adjustment range 116 arranged or the adjustment range 116 facing measuring electrode 142 and at least one in the reference gas space 132 arranged or the reference gas space 132 facing reference electrode 144 on. The measuring electrode 142 and the reference electrode 144 the measuring cell 118 can by at least one solid electrolyte 150 be connected. The solid electrolyte 150 may be membrane-like and along a layer thickness direction (in the figure: pointing from bottom to top or by way of example for the measuring cell 118 : from the reference gas chamber 132 to the adjustment range 116 pointing) viewed between the electrodes 142 . 144 be arranged.

Die erste Pumpzelle 120 ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich 116 zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich 116 zuzuführen. Die erste Pumpzelle 120 kann mindestens einen Schichtaufbau 148 aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden 146 und mindestens einen die Pumpelektroden 146 verbindenden Festkörperelektrolyten 150 aufweist. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die erste Pumpzelle 120: vom Zwischenraum 162 zur zweiten Ausnehmung 134 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Pumpelektroden 146 angeordnet sein. The first pump cell 120 is set to the first gas component in whole or in part from the adjustment range 116 to remove or the first gas component the adjustment range 116 supply. The first pump cell 120 can at least one layer structure 148 which has at least two pumping electrodes 146 and at least one of the pumping electrodes 146 connecting solid state electrolytes 150 having. The solid electrolyte 150 may be membrane-like and along a layer thickness direction (in the figure: pointing from bottom to top or by way of example for the first pumping cell 120 : from the gap 162 to the second recess 134 pointing) viewed between the two pumping electrodes 146 be arranged.

Die zweite Pumpzelle 122 weist mindestens eine in dem Erfassungsbereich 117 angeordnete Pumpelektrode 146 auf und ist eingerichtet, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich 117 zu entfernen. Die zweite Pumpzelle 122 kann weiterhin mindestens einen Schichtaufbau 148 aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden 146 und mindestens einen die Pumpelektroden 146 verbindenden Festkörperelektrolyten 150 aufweist. Mindestens eine der Pumpelektroden 146 kann dem Erfassungsbereich 117 zuweisen und katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein und eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die zweite Pumpzelle 122: von der dritten Ausnehmung 136 zum Erfassungsbereich 117 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Pumpelektroden 146 angeordnet sein. The second pump cell 122 has at least one in the detection area 117 arranged pump electrode 146 and is set up to at least a second gas component from the detection area 117 to remove. The second pump cell 122 can continue at least one layer structure 148 which has at least two pumping electrodes 146 and at least one of the pumping electrodes 146 connecting solid state electrolytes 150 having. At least one of the pumping electrodes 146 can the coverage area 117 and catalytically active with respect to the second gas component and configured to decompose the second gas component. The solid electrolyte 150 may be membrane-like and along a layer thickness direction (in the figure: pointing from bottom to top or by way of example for the second pumping cell 122 : from the third recess 136 to the detection area 117 pointing) viewed between the two pumping electrodes 146 be arranged.

Zwischen dem Einstellbereich 116 und der ersten Pumpzelle 120 ist die Membran 124 angeordnet. Die Membran 124 ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle 120 zu transportieren. Die Membran 124 kann insbesondere eine Sauerstoffmembran 152 sein, welche für einen ionischen Transport von Sauerstoff eingerichtet ist. Die Membran 124 kann mindestens einen Schichtaufbau 154 umfassen. Der Schichtaufbau 154 kann mindestens zwei poröse Elektroden 156 sowie mindestens einen die porösen Elektroden 156 verbindenden Festkörperelektrolyten 158 umfassen. Die porösen Elektroden 156 können elektrisch kurzgeschlossen sein. Insbesondere können die porösen Elektroden 156 mittels mindestens einer Durchkontaktierung 160 elektrisch durchkontaktiert sein. Somit liegen beide Elektroden 156 sowie der Festkörperelektrolyth auf demselben elektrischen Potenzial. Eine Spaltung bzw. Zersetzung von Gaskomponenten (z.B. von Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) kann so vorteilhaft vermieden werden. Die Membran 124 kann weiterhin katalytisch inaktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein, z.B. dadurch, dass die Elektrode eine Gold-Platin-Mischung umfasst. Somit wird das elektrochemische Potenzial der zweiten Gaskomponente nicht so weit verändert, dass allein aufgrund der herrschenden Betriebstemperatur eine Zersetzung bzw. Spaltung von z.B. Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) erfolgt. Die Membran 124 und die erste Pumpzelle 120 können insbesondere in einem Abstand d zueinander angeordnet sein, derart, dass zwischen der Membran 124 und der ersten Pumpzelle 120 mindestens eine Zwischenkammer 162 ausgebildet ist. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die Membran 124: vom Einstellbereich 116 zum Zwischenraum 162 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Elektroden 156 angeordnet sein. Between the adjustment range 116 and the first pump cell 120 is the membrane 124 arranged. The membrane 124 is arranged to de-energize the first gas component to the first pumping cell 120 to transport. The membrane 124 in particular, an oxygen membrane 152 which is set up for an ionic transport of oxygen. The membrane 124 can at least one layer structure 154 include. The layer structure 154 can have at least two porous electrodes 156 and at least one of the porous electrodes 156 connecting solid state electrolytes 158 include. The porous electrodes 156 can be electrically shorted. In particular, the porous electrodes 156 by means of at least one via 160 be electrically contacted. Thus, both electrodes are located 156 and the solid electrolyte at the same electrical potential. A splitting or decomposition of gas components (for example of nitrogen dioxide (NO 2) in nitrogen monoxide (NO) can thus be advantageously avoided 124 may also be catalytically inactive relative to the second gas component, for example, characterized in that the electrode comprises a gold-platinum mixture. Thus, the electrochemical potential of the second gas component is not changed so much that only due to the prevailing operating temperature decomposition or cleavage of eg nitrogen dioxide (NO2) in nitric oxide (NO) takes place. The membrane 124 and the first pump cell 120 may in particular be arranged at a distance d to each other, such that between the membrane 124 and the first pump cell 120 at least one intermediate chamber 162 is trained. The solid electrolyte 150 may be formed like a membrane and along a layer thickness direction (in the figure: pointing from bottom to top or by way of example for the membrane 124 : from the adjustment range 116 to the gap 162 pointing) viewed between the two electrodes 156 be arranged.

Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, die Membran 124 direkt auf die dem Einstellbereich 116 zugewandte Seite der ersten Pumpzelle 120 aufzubringen, so dass kein Zwischenraum 162 entsteht. In principle, it is of course possible, the membrane 124 directly on the adjustment area 116 facing side of the first pumping cell 120 apply, so no gap 162 arises.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 166 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112. Die Sensorvorrichtung 166 umfasst ein Sensorelement 110. Das Sensorelement 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß 2, so dass weitestgehend auf die Beschreibung der 2 oben verwiesen werden kann. 3 shows a schematic representation of a sensor device 166 for detecting at least one property of a gas in a sample gas space 112 , The sensor device 166 includes a sensor element 110 , The sensor element 110 corresponds in many parts of the arrangement according to 2 , so far as possible on the description of the 2 can be referred to above.

Die Sensorvorrichtung 166 weist weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle 168, mindestens eine erste elektrische Messvorrichtung 170 und mindestens eine zweite elektrische Messvorrichtung 174 auf. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung 166 mindestens eine erste elektrische Energiequelle 169 und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle 172 umfassen. Die erste elektrische Energiequelle 169 kann mit der ersten Pumpzelle 120 verbunden sein und eingerichtet sein, um die erste Pumpzelle 120 mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die erste elektrische Messvorrichtung 170 ist mit der Messzelle 118 verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messzelle 118 zu erfassen. Die zweite elektrische Energiequelle 172 kann mit der zweiten Pumpzelle 122 verbunden sein und eingerichtet sein, um die zweite Pumpzelle 122 mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Messvorrichtung 174 ist eingerichtet, um einen Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle 122 zu erfassen. The sensor device 166 also has at least one electrical energy source 168 , at least one first electrical measuring device 170 and at least one second electrical measuring device 174 on. In particular, the sensor device 166 at least one first electrical energy source 169 and at least a second electrical energy source 172 include. The first electrical energy source 169 can with the first pump cell 120 be connected and set up to the first pump cell 120 to apply a pumping current and / or a pumping voltage. The first electrical measuring device 170 is with the measuring cell 118 connected and set up to a voltage at the measuring cell 118 capture. The second source of electrical energy 172 can with the second pump cell 122 be connected and set up to the second pumping cell 122 to apply a pumping current and / or a pumping voltage. The second electrical measuring device 174 is adapted to pumping current through the second pumping cell 122 capture.

Die Sensorvorrichtung 166 kann weiterhin mindestens eine Regelvorrichtung 186 umfassen. Die Regelvorrichtung 186 kann mit der ersten elektrischen Messvorrichtung 170 und der ersten elektrischen Energiequelle 172 verbunden sein und eingerichtet sein, um mittels der ersten Pumpzelle 120 einen Anteil der ersten Gaskomponente (z.B. Sauerstoff (O2)) in dem Einstellbereich 116 auf einen Sollwert zu regeln. The sensor device 166 can continue at least one control device 186 include. The control device 186 can with the first electrical measuring device 170 and the first electrical energy source 172 be connected and set up by means of the first pumping cell 120 a proportion of the first gas component (eg oxygen (O2)) in the adjustment range 116 to regulate to a setpoint.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Automotive Handbook, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 [0003]

Claims

Sensor element ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 112 ), comprising: at least one adjustment and detection chamber ( 114 ), wherein the adjustment and detection chamber ( 114 ) at least one setting range ( 116 ) and at least one coverage area ( 117 ), wherein the adjustment range ( 116 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) can be acted upon; At least one measuring cell ( 118 ), the measuring cell ( 118 ) at least one in the adjustment range ( 116 ) arranged measuring electrode ( 142 ) and at least one in a reference gas space ( 132 ) arranged reference electrode ( 144 ) and is arranged to at least a first gas component in the adjustment range ( 116 ) capture; At least one first pump cell ( 120 ), wherein the first pump cell ( 120 ) is set up to completely or partially remove the first gas component from the adjustment range ( 116 ) or remove the first gas component from the adjustment range ( 116 ); and at least one second pump cell ( 122 ), the second pump cell ( 122 ) at least one in the coverage area ( 117 ) arranged pump electrode ( 146 ) and is arranged to at least a second gas component from the detection area ( 116 ) to remove; between the adjustment range ( 116 ) and the first pump cell ( 120 ) at least one membrane ( 124 ) arranged to de-energize the first gas component to the first pumping cell (10). 120 ) to transport.

Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the property of the gas is a proportion of an oxygen compound in the gas, in particular a NOx content.

Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 124 ) an oxygen membrane ( 152 ), which is adapted for ionic transport of oxygen, wherein the membrane 124 in particular a ceramic electrically conductive mixed conductor or a solid electrolyte.

Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 124 ) a layer structure ( 154 ), the layer structure ( 154 ) two, in particular porous, electrodes ( 156 ).

Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the membrane ( 124 ) between the two electrodes ( 156 ), wherein the two electrodes ( 156 ) are electrically short-circuited, in particular by the membrane ( 124 ) through.

Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 124 ) is catalytically inactive with respect to the second gas component.

Sensor element ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the membrane ( 124 ) and the first pump cell ( 120 ) are arranged at a distance (d) from each other such that between the membrane ( 124 ) and the first pump cell ( 120 ) at least one intermediate chamber ( 162 ) is trained.

Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the adjustment range ( 116 ) and the sample gas space ( 112 ) by at least one first diffusion barrier ( 140 ) are connected.

Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the adjustment range ( 116 ) and the coverage area ( 117 ) by at least one second diffusion barrier ( 164 ) are connected.

Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) a micromechanical sensor element ( 126 ).

Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the second pumping cell ( 122 ) at least one layer structure ( 148 ), wherein the layer structure ( 148 ) at least two pumping electrodes ( 146 ) and at least one of the pumping electrodes ( 146 ) connecting solid state electrolytes ( 150 ), wherein at least one of the pumping electrodes ( 146 ) the scope ( 117 ) and catalytically active with respect to the second gas component and configured to decompose the second gas component.

Sensor device ( 166 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 112 ) comprising at least one sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, further comprising • at least one electrical energy source ( 168 ), wherein the electrical energy source ( 168 ) is connected to at least one pump cell selected from the group consisting of: the first pump cell ( 120 ), the second pump cell ( 122 wherein the electrical energy source is arranged to apply at least one physical quantity to the pump cell, selected from the group consisting of: a pumping current, a pumping voltage, at least one first electrical measuring device ( 170 ), wherein the electrical measuring device ( 170 ) with the measuring cell ( 118 ) and is arranged to provide an electrical voltage to the measuring cell ( 118 ) capture; and At least one second electrical measuring device ( 174 ), wherein the second electrical measuring device ( 174 ) is adapted to a pumping current through the second pumping cell ( 122 ) capture.

Sensor device ( 166 ) according to the preceding claim, wherein the sensor device ( 166 ) at least one first electrical energy source ( 169 ) and at least one second electrical energy source ( 172 ), wherein the first electrical energy source ( 169 ) with the first pump cell ( 120 ) and is adapted to the first pump cell ( 120 ) having at least one physical variable selected from the group consisting of: a pumping current, a pumping voltage, the second electrical energy source ( 172 ) with the second pumping cell ( 122 ) and is adapted to the second pump cell ( 122 ) of at least one physical quantity selected from the group consisting of: a pumping current, a pumping voltage.

Method for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space ( 112 ), comprising a use of the sensor element ( 110 ) according to one of the preceding, a sensor element ( 110 ), the method comprising the steps of: a) providing the sensor element ( 110 ); b) applying the adjustment range ( 116 ) with the gas from the sample gas space ( 112 ); c) setting a desired gas composition in the adjustment range ( 116 ) by means of the measuring cell ( 118 ) and the first pump cell ( 120 ); and d) detecting a pumping current at the second pumping cell ( 122 ).