DE102015223720A1

DE102015223720A1 - Sensorelement, Sensorvorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102015223720A1
Application number: DE102015223720.6A
Authority: DE
Inventors: Friedjof Heuck; Daniel PANTEL
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110), eine Sensorvorrichtung (150) sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst: • mindestens eine Einstellkammer (114) und mindestens eine mit der Einstellkammer (114) verbundene Erfassungskammer (116), wobei die Einstellkammer (114) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist; • mindestens eine Pumpzelle (118), wobei die Pumpzelle (118) eingerichtet ist, um eine erste Gaskomponente des Gases aus der Einstellkammer (114) zu entfernen oder die erste Gaskomponente der Einstellkammer (114) zuzuführen; • mindestens eine Messpumpzelle (120), wobei die Messpumpzelle (120) mindestens eine in der Erfassungskammer (116) angeordnete Zersetzungselektrode (142) aufweist, welche katalytisch aktiv gegenüber einer zweiten Gaskomponente des Gases ist und eingerichtet ist, um die zweite Gaskomponente in Zersetzungsprodukte zu spalten, wobei eine Gasverbindung (148) zwischen der Einstellkammer (114) und der Erfassungskammer (116) besteht, über welche die Erfassungskammer (116) mit Gas aus der Einstellkammer (114) beaufschlagbar ist, wobei die Messpumpzelle (120) eingerichtet ist, um mindestens eines der Zersetzungsprodukte ganz oder teilweise von der Erfassungskammer (116) in die Einstellkammer (114) zu überführen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum.
Gegenwärtig können keramische Stickoxidsensoren, beispielsweise Zirkoniumdioxid(ZrO2)-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.
Derartige Stickoxidsensoren, z.B. in Form von Lambdasonden, sind z.B. bekannt aus dem Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347.
Aktuelle Stickoxidsensoren benötigen grundsätzlich mindestens drei Zellen, insbesondere eine Pumpzelle für elementaren Sauerstoff (O2), eine Messpumpzelle, welche eingerichtet ist, um Stickoxid zu zersetzen und Sauerstoffionen (O^2–) aus dem Zersetzungsprodukt zu pumpen sowie eine Sprungsonde. Weiterhin benötigen aktuelle Stickoxidsensoren grundsätzlich einen Zugang zu einer Referenzluftquelle. Eine Diskriminierung verschiedener Stickoxide und Ammoniak ist mit aktuellen Stickoxidsensoren nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
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.
Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst mindestens eine Einstellkammer und mindestens eine mit der Einstellkammer verbundene Erfassungskammer bzw. eine an die Einstellkammer angrenzende Erfassungskammer, mindestens eine Pumpzelle und mindestens eine Messpumpzelle. Die Einstellkammer ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die Pumpzelle ist eingerichtet, um eine erste Gaskomponente des Gases aus der Einstellkammer zu entfernen oder die erste Gaskomponente der Einstellkammer zuzuführen. Die Messpumpzelle weist mindestens eine in der Erfassungskammer angeordnete Zersetzungselektrode bzw. der Erfassungskammer zugewandte Zersetzungselektrode auf, welche katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente des Gases ist und eingerichtet ist, um die zweite Gaskomponente in Zersetzungsprodukte zu spalten. Zwischen der Einstellkammer und der Erfassungskammer besteht eine Gasverbindung, über welche die Erfassungskammer mit Gas aus der Einstellkammer beaufschlagbar ist. Die Messpumpzelle ist eingerichtet, um mindestens eines der Zersetzungsprodukte ganz oder teilweise von der Erfassungskammer in die Einstellkammer zu überführen. Diese Ausführungsform kann insbesondere den Vorteil aufweisen, dass ein Zugang zu einer Referenzluft oder ein zweiter Zugang zu dem Messgasraum oder zu einem anderen Gasraum nicht notwendig ist.
Der Begriff "Messgasraum" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Verbrennungsmotor. Der Messgasraum kann insbesondere die erste Gaskomponente und die zweite Gaskomponente aufweisen.
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.
Die wenigstens eine Pumpzelle und die wenigstens eine Messpumpzelle können in der Art einer Membran ausgebildet sein und z.B. eine Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 50μm aufweisen. Die Membran 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 Messpumpzelle auf jeder Seite der Membran entlang der Schichtdickenrichtung betrachtet eine bevorzugt poröse Elektrode umfassen.
Eine von der Pumpzelle und/oder Messpumpzelle umfasste Membran bzw. keramische Membran bzw. Festkörperelektrolythmembran ist erfindungsgemäß eine Membran im chemischen Sinne, und somit ein beispielsweise keramisches Material, das die Diffusion spezifischer chemischer Verbindungen erlaubt und/oder unterbindet. Die Membran ist „gasdicht“. Das bedeutet, dass kein Gas durch die Membran diffundieren kann (es sei denn, es sind spezielle Diffusionskanäle, z.B. durch Poren ausgebildet). Allerdings können Ionen durch die Membran diffundieren, wie z.B. Wasserstoff- oder Sauerstoffionen. Dabei sind Sauerstoffionen bevorzugt. Ferner trennt die Membran beispielsweise räumlich zwei Gasräume (z.B. Abgas von Referenzluft, oder z.B. den Messgasraum von der Einstellkammer oder z.B. die Einstellkammer von der Erfassungskammer, 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.
Grundsätzlich liegen in den einzelnen Kammern bzw. den einzelnen Räumen 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. Membranen 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 Membran bzw. eine Zelle ist dann der ionische Transport von Gas-Ionen (z.B. der Sauerstoffionen) durch die Membran (z.B. Festkörperelektrolythmembran) 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 2 O^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 Festkörperelektrolythmembran bzw. eine Festelektrolythmembran. 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.
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. Die Zersetzungsprodukte können die erste Gaskomponente aufweisen, insbesondere Sauerstoff, beispielsweise in Form von Sauerstoff-Ionen (O2-) oder neutralem Sauerstoff O2. Ob Ionen oder elektrisch neutrale Teile vorliegen ist abhängig vom Ort, siehe dazu die oben dargelegten grundsätzlichen Überlegungen.
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.
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. Die Schnittstelle kann auch mindestens einen Spannungs- oder Stromabgriff umfassen.
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.
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. Insbesondere kann das Trägersubstrat auch aus mindestens zwei zuvor prozessierten Halbleitersubstraten zusammengefügt sein, beispielsweise mittels Waferbonden. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Trägersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat Silizium umfassen. Auch andere halbleitende oder isolierende Materialien wie Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Saphir und Glas sind grundsätzlich denkbar.
Das Trägersubstrat kann mindestens eine Kaverne umfassen. Der Begriff "Kaverne" 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 Kaverne kann grundsätzlich eine beliebige Grundform aufweisen. Beispielsweise kann die Kaverne quaderförmig ausgestaltet sein, sie kann auch mit einem polygonalen, z.B. hexagonalen Querschnitt gestaltet sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Die Pumpzelle kann auf der Trägersubstratoberfläche des Trägersubstrats angeordnet sein und die Kaverne ganz oder zumindest teilweise bedecken. Die Messpumpzelle kann innerhalb der Kaverne angeordnet sein und die Einstellkammer von der Erfassungskammer trennen. Das Trägersubstrat kann im Bereich der Zellen stützpfeilerartig ausgebildet sein und z.B. lediglich eine (seitliche) Auflagefläche für die Zelle bzw. Membran darstellen.
Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle 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 zu isolieren. Bei der Isolierung kann es sich um eine elektrische Isolierung handeln. 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.
Der Begriff "Kammer" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen beliebig ausgestalteten Hohlraum, welcher ganz oder zumindest teilweise innerhalb des Sensorelements angeordnet ist. Die Kammer kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform oder auch einen polygonalen (dreieckiger, rechteckiger, fünfeckiger, hexagonaler, etc.) oder runden oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Einstellkammer ist mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Insbesondere kann die Einstellkammer eingerichtet sein, um eine Gaszusammensetzung eines Messmediums einzustellen. Dazu kann beispielweise mittels der Pumpzelle eine erste Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, aus der Einstellkammer in den Messgasraum gepumpt werden, um so einen Partialdruck des Sauerstoffs gezielt auf einen gewünschten Wert einzustellen (beispielweise eine Luftzahl = 1). Dies kann in bekannter Weise durch das Anlegen eines Pumpstroms an die Pumpzelle bewirkt werden. Bei dem Messmedium kann es sich beispielsweise um ein Abgas bzw. Abgasgemisch eines Kraftfahrzeugs, Umgebungsluft oder dergleichen handeln. Die Erfassungskammer kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Eigenschaft des Gases zu erfassen.
Die Einstellkammer kann über mindestens einen Gaszugang mit dem Messgasraum verbunden sein und über den Gaszugang mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein.
Die Begriffe "Gaszugang" und "Gasverbindung" bezeichnen grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Diffusionsbarriere, welche eingerichtet ist, um ein oder mehrere Gaskomponenten des Gases zu transportieren.
Der Gaszugang kann mindestens einen Gaskanal umfassen, welcher den Messgasraum mit der Einstellkammer verbindet. Der Gaskanal kann von der Pumpzelle getrennt ausgebildet sein. Der Gaszugang kann mindestens eine Perforation in der Pumpzelle umfassen bzw. kann der Gaszugang z.B. durch mindestens eine Perforation in der Pumpzelle gestaltet sein.
Die Gasverbindung kann ebenfalls mindestens einen von der Messpumpzelle getrennt ausgebildeten Kanal umfassen und/oder mindestens eine Perforation in der Messpumpzelle umfassen bzw. durch mindestens eine Perforation in der Messpumpzelle gebildet sein. Somit verbindet die Gasverbindung beispielsweise die Gaserfassungskammer mit der Einstellkammer.
Die Perforation kann insbesondere eine Vielzahl an Löchern, insbesondere Diffusionslöchern, und/oder Poren umfassen, welche quer, insbesondere senkrecht, zu einer Erstreckungsrichtung der Pumpzelle (bzw. Pumpmembran) bzw. der Messpumpzelle (bzw. Messpumpmembran) angeordnet sind. Die Poren bzw. die Löcher können innerhalb der Pumpzelle bzw. der Messpumpzelle angeordnet sein und die Pumpzelle bzw. die Messpumpzelle vollständig durchdringen. Die Poren bzw. die Löcher können insbesondere eine durchschnittliche Porengröße von 10 nm bis 100 µm, vorzugsweise von 50 nm bis 10 µm aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar. In einem Ausführungsbeispiel, in welchem die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle Versteifungsstrukturen, insbesondere Versteifungsstrukturen aus Silizium, Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid, aufweisen, können die Löcher und/oder Poren zwischen den Versteifungsstrukturen und der Pumpzelle bzw. der Messpumpzelle angeordnet sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
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. Mit anderen Worten ist der Festelektrolyt zwischen den Elektroden angeordnet. Dabei ist bevorzugt die eine Elektrode einem ersten Raum (z.B. dem Messgasraum) zugewandt und die andere Elektrode einem zweiten Raum, der von dem ersten Raum verschieden ist (z.B. der Einstellkammer). Eine Zelle kann als Membran ausgebildet sein und mehrere Schichten umfassen. 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.
Insbesondere kann die Pumpzelle mit einer ersten elektrischen Spannung beaufschlagbar sein und die Messpumpzelle kann mit einer zweiten elektrischen Spannung beaufschlagbar sein. Die erste elektrische Spannung und die zweite elektrische Spannung können voneinander verschieden sein.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Spannung sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Spannungen und mehrere Arten von zweiten Spannungen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Spannungen, beispielsweise eine oder mehrere dritte Spannungen, vorhanden sein.
Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle können mindestens einen Festkörperelektrolyten umfassen und ionisch leitfähige Eigenschaften aufweisen. 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 umfassen, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Die Pumpzelle kann mindesten zwei Pumpelektroden umfassen. Die Pumpelektroden können durch den Festkörperelektrolyten miteinander verbunden sein. Mit anderen Worten: der Festelektrolyt ist zwischen den Pumpelektroden angeordnet. Wenn die Pumpzelle als Membran ausgebildet ist, dann ist entlang der Schichtdickenrichtung (senkrecht zur flächigen Erstreckung) der Membran betrachtet zunächst eine Pumpelektrode angeordnet, gefolgt von dem Festelektrolyten, gefolgt von der zweiten Pumpelektrode.
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, 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, 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.
Insbesondere kann es sich um ein poröses, elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial handeln. Unter "porösen" elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial sind allgemein 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.
Die Pumpelektroden können mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; einer Platinlegierung, insbesondere einer Platin-Gold-Legierung, besonders bevorzugt einer Platin-Bismut-Legierung.
Die Zersetzungselektrode kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; einer Platinlegierung, insbesondere einer Platin-Ruthenium-Legierung, besonders bevorzugt einer Platin-Palladium-Legierung. Je nach Zusammensetzung des mindestens einen Materials der Zersetzungselektrode, kann die Zersetzungselektrode eingerichtet sein, um selektiv für einen Bestandteil der zweiten Gaskomponente zu sein. Die Selektivität kann z.B. durch eine katalytisch bewirkte selektive Änderung elektrochemischer Potenziale von Gaskomponenten sein. Diese Selektivität kann z.B. bewirken, dass an der Zersetzungselektrode durch das Anlegen einer definierten Spannung z.B. eine der Gaskomponenten (hier exemplarisch als Gaskomponente #A bezeichnet) zersetzt wird, während für eine andere Gaskomponente (hier exemplarisch als Gaskomponente #B bezeichnet) die elektrische Spannung für eine Zersetzung nicht ausreicht. Ohne diese Selektivität würden z.B. beide Gaskomponenten (also Gaskomponente #A und Gaskomponente #B) bei der angelegten Spannung zersetzt oder beide nicht zersetzt oder es würde gerade umgekehrt Gaskomponente #B zersetzt und Gaskomponente #A nicht.
Die Messpumpzelle kann mindestens einen Schichtaufbau aufweisen, welcher die Zersetzungselektrode und den Festkörperelektrolyten umfasst. Weiterhin kann der Schichtaufbau mindesten eine weitere Elektrode umfassen. Der Festkörperelektrolyt kann die Zersetzungselektrode und die weitere Elektrode miteinander verbinden. Die weitere Elektrode kann insbesondere eine Pumpelektrode sein. Die weitere Elektrode kann insbesondere in der Einstellkammer angeordnet sein bzw. der Einstellkammer zugewandt sein.
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.
Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle können quer, insbesondere senkrecht, zu einer Erstreckungsrichtung des Trägersubstrats mindestens ein Profil aufweisen. Unter dem "Profil" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Querschnitt durch die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle quer zu der Erstreckungsrichtung, wobei der Querschnitt über eine Querschnittsform verfügt, verstanden. Das Profil kann eingerichtet sein, um die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle mechanisch zu stabilisieren. Das Profil kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Rechteck-Profil, mindestens einem T-Profil, mindestens einem I-Profil, mindestens einem U-Profil, mindestens einem H-Profil. Das Rechteck-Profil kann eine rechteckige Querschnittsform aufweisen. Ein einzelnes T-Profil kann zusätzlich zu der rechteckigen Querschnittsform einen rechteckigen Balken an einem Ende des Querschnitts aufweisen. Ein Profil, welches eine Vielzahl an T-Profilen aufweist, kann insbesondere einen Teil aufweisen, welcher sich entlang der Erstreckungsrichtung erstreckt und über eine Vielzahl von Stegen verfügen, welche sich in einem Abstand zueinander, insbesondere in einem regelmäßigen Abstand zueinander, quer, insbesondere senkrecht, zu dem Teil ausrichten. Ein einzelnes I-Profil kann zwei rechteckige Balken aufweisen, welche jeweils an gegenüberliegenden Enden des Querschnitts angeordnet sind. Ein Profil, welches eine Vielzahl an I-Profilen aufweist, kann sich insbesondere in einen oberen Teil und in einen unteren Teil aufteilen, welche parallel zueinander in der Erstreckungsrichtung verlaufen. Der obere Teil und der untere Teil können dabei in einem Abstand zueinander angeordnet sein, so dass sich hierdurch eine Lücke ausbildet. Innerhalb der Lücke können hierbei mehrere Stege angeordnet sein, welche sich quer, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung ausrichten. Weiterhin kann das Sensorelement mehrere Pumpzellen und mehrere Messpumpzellen aufweisen, welche parallel zueinander geschaltet sind. Diese Ausführungsform kann insbesondere zu einer mechanischen Stabilität des Sensorelements beitragen.
Es kann vorkommen, dass die Zersetzungsprodukte die erste Gaskomponente (z.B. Sauerstoff) aufweisen. Das Sensorelement kann dann eingerichtet sein, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise von der Erfassungskammer über die Messpumpzelle und die Pumpzelle in den Messgasraum zu führen.
Insbesondere kann das Sensorelement bzw. die Erfassungskammer eingerichtet sein, um Sauerstoff als erste Gaskomponente aus der Einstellkammer zurück in den Messgasraum zu pumpen. Dies kann z.B. mittels einer dem Messgasraum zugewandte Pumpzelle bewirkt werden – durch das Anlegen einer Pumpspannung kann so Sauerstoff durch die Festkörperelektrolythmembran der Pumpzelle hindurch gepumpt bzw. transportiert werden. Die Umwandlung von Sauerstoff in Sauerstoffionen und die Rückwandlung wurde weiter oben grundsätzlich erläutert. Auf diese Weise kann beispielsweise auf einen separaten Abgaskanal, insbesondere einen Abluftkanal, verzichtet werden, da eine Gasrückführung in den Messgasraum erfolgen kann. Der optionale Verzicht auf einen derartigen Abgaskanal bedingt, dass das Sensorelement konstruktiv einfacher gestaltet werden kann und dass beispielsweise auf eine abgedichtete Durchführung eines Abluftkanals durch eine Dichtpackung in einen Außenbereich verzichtet werden kann.
Die Gasverbindung kann eingerichtet sein, um das ganz oder teilweise um den Sauerstoff (O2) abgereicherte Gas zumindest teilweise in die Erfassungskammer zu überführen. Das um O2 abgereicherte Gas kann z.B. durch die mindestens eine Gasverbindung in die Erfassungskammer hineindiffundieren, z.B. durch in der Messpumpzelle angeordnete Perforationen. Die Messpumpzelle kann eingerichtet sein, um mindestens eine Sauerstoffverbindung als zweite Gaskomponente in dem Gas in der Erfassungskammer zu spalten bzw. zu zersetzen und dabei erzeugten Sauerstoff als Zersetzungsprodukt zurück in die Einstellkammer zu pumpen. Über die Menge des Sauerstoffs bzw. einen zum Abpumpen des Sauerstoff nötigen Pumpstrom, insbesondere wenn molekularer Sauerstoff (O2) zuvor zumindest teilweise aus der Einstellkammer entfernt wurde, kann auf den Anteil oder die Menge der Sauerstoffverbindung geschlossen werden. In einer einfachen Ausführungsform sind folglich eine Pumpzelle und eine Messpumpzelle ausreichend.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorelement mindestens eine weitere Einstellkammer und mindestens eine weitere Pumpzelle aufweisen. Die weitere Pumpzelle kann eingerichtet sein, um eine Konzentration der zweiten Gaskomponente in der Erfassungskammer zu erhöhen, insbesondere im Vergleich zu einem analogen Fall mit nur einer Pumpzelle. Die weitere Pumpzelle kann die Einstellkammer und die weitere Einstellkammer voneinander abtrennen. Die zweite Gaskomponente kann wie oben beschrieben z.B. NOx (NO, NO2, NO3, etc. in unterschiedlicher Konzentration), N2, NH3, etc. umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorelement mindestens eine weitere Erfassungskammer und mindestens eine weitere Messpumpzelle aufweisen. Die Messpumpzelle und die weitere Messpumpzelle können unterschiedlich katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein. So lassen sich beispielsweise unterschiedliche Arten von zweiten Gaskomponenten erfassen. Beispielsweise lässt sich mit der Messpumpzelle eine erste Art von zweiter Gaskomponente, beispielsweise eine erste Spezies einer Sauerstoffverbindung (z.B. NO), erfassen und mit der mindestens einen weiteren Messpumpzelle mindestens eine weitere Art einer zweiten Gaskomponente, beispielsweise mindestens eine zweite Spezies einer Sauerstoffverbindung (z.B. NO2), erfassen. Die weitere Messpumpzelle kann die Einstellkammer und die weitere Erfassungskammer voneinander abtrennen.
Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Sprungsonde aufweisen. Die Sprungsonde kann insbesondere mindestens eine Nernstzelle umfassen. Die Nernstzelle kann analog zu der Pumpzelle aufgebaut sein. Die Sprungsonde kann eingerichtet sein, um eine Konzentration bzw. einen Gehalt der ersten Gaskomponente in der Einstellkammer zu überwachen und/oder zu erfassen und/oder beispielsweise zu regeln. Auf diese Weise lässt sich ein Messbetrieb des Sensorelements verbessern und kontrollierter durchführen.
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.
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 und mindestens eine elektrische Messvorrichtung. Die elektrische Energiequelle ist mit der Pumpzelle und/oder mit der Messpumpzelle verbunden und eingerichtet, um die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle mit einem Strom und/oder einer Spannung zu beaufschlagen. Die elektrische Messvorrichtung ist mit der Messpumpzelle verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messpumpzelle und/oder einen elektrischen Strom durch die Messpumpzelle zu erfassen.
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 Pumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die erste Pumpzelle mit dem Strom, insbesondere einen Pumpstrom, und/oder der Spannung, insbesondere einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Energiequelle kann mit der Messpumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die Messpumpzelle mit dem Strom und/oder der Spannung zu beaufschlagen.
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.
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.
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.
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.
Das Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen des Sensorelements;
b) Beaufschlagen der Einstellkammer mit dem Gas aus dem Messgasraum;
c) Vollständiges oder teilweises Entfernen einer ersten Gaskomponente aus der Einstellkammer mittels der Pumpzelle; und
d) Erfassen eines Pumpstroms an der Messpumpzelle.

Schritt c) kann insbesondere ein Abpumpen der ersten Gaskomponente aus der Einstellkammer, insbesondere durch Pumpen der ersten Gaskomponente zurück in den Messgasraum, umfassen.
Bei Schritt d) kann insbesondere aus einem Pumpstrom auf die Eigenschaft des Gases geschlossen werden, beispielsweise auf eine Konzentration und/oder einen Anteil der zweiten Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise auf einen NOx-Anteil. In Schritt c) kann weiterhin 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.
Es können auch weitere Schritte vorgesehen sein, z.B.

e) Eindiffundieren des um O2 entreicherten Gases aus der Einstellkammer in die Erfassungskammer;
f) Spalten der zweiten Gaskomponente (z.B. NOx, NO2, NO) in Zersetzungsprodukte (z.B. Sauerstoff, Stickstoff);
g) Pumpen der Zersetzungsprodukte aus der Erfassungskammer in die Einstellkammer.

Das vorgeschlagene Sensorelement, die vorgeschlagene Sensorvorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Besonders vorteilhaft ist, dass die Zellen bzw. Membranen mehrere Funktionalitäten in sich vereinen und damit Bauraum und Kosten gespart werden können. So können die Zellen den elektrochemischen Transport von Sauerstoff bewirken und gleichzeitig Kanäle für die Gasdiffusion aufweisen. In der Ausführungsform, in welcher das Sensorelement ein mikromechanisches Sensorelement ist, kann das Sensorelement im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtsensoren geringere Abmessungen aufweisen. Zudem wird kein Zugang zu einer Referenzluft benötigt. In einer einfachen Ausführungsform sind eine Pumpzelle und eine Messpumpzelle ausreichend. Weiterhin kann das Sensorelement lediglich eine geringe Anzahl von elektrischen Leitungen nach außen aufweisen. Die elektrischen Leitungen können insbesondere Heizleitungen, eine Erdung sowie Leitungen für die Pumpzelle und die Messpumpzelle umfassen.
Das Gas kann in die Einstellkammer diffundieren, insbesondere durch den Gaszugang. Die erste Gaskomponente kann aus der Einstellkammer durch die Pumpzelle in den Messgasraum gepumpt werden. Mindestens eine der Pumpelektroden, insbesondere die Pumpelektrode, welche der Einstellkammer zugewandt ist, kann ein Material umfassen, dessen katalytische Aktivität nicht ausreichend ist, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Die Einstellkammer und die Pumpzelle können derart eingerichtet sein, dass die erste Gaskomponente ganz oder zumindest nahezu vollständig aus der Einstellkammer heraus in den Messgasraum gepumpt werden kann, ohne dass es zu einer signifikanten Diffusion der ersten Gaskomponente in die Erfassungskammer kommt. Insbesondere kann hierzu eine Höhe der Einstellkammer sehr klein gegen eine Fläche der Pumpzelle gewählt sein. Insbesondere kann die Höhe der Einstellkammer der Wurzel aus der Fläche der Pumpzelle sein.
Weitere Gaskomponenten können durch die Gasverbindung in die Erfassungskammer diffundieren. Durch die in der Erfassungskammer angeordnete Zersetzungselektrode bzw. durch die auf der der Erfassungskammer zugewandten Seite der Festelektrolytschicht angeordnete Zersetzungselektrode kann die zweite Gaskomponente (z.B. NOx, etc.) in die Zersetzungsprodukte (z.B. N- -Ionen, O2- -Ionen) gespalten werden. Die Zersetzungselektrode kann insbesondere Platin und Ruthenium umfassen. Die erste Gaskomponente (z.B. Sauerstoff O2) kann durch die Messpumpzelle in die Einstellkammer gepumpt und anschließend durch die Pumpzelle in den Messgasraum gepumpt werden. Weitere Gaskomponenten (z.B. Stickstoff (N2)) können beispielsweise durch den Gaszugang in den Messgasraum diffundieren. Die erste Gaskomponente, welche von der Messpumpzelle transportiert wird, kann einem Pumpstrom entsprechen, welcher proportional zu einem Anteil der zweiten Gaskomponente in der Erfassungskammer bzw. in dem Messgasraum ist.
Die Pumpzelle kann dem Messgasraum zugewandt sein und die Einstellkammer abschließen. Die Pumpelektrode der Pumpzelle, welche der Einstellkammer zugewandt ist, kann insbesondere eine geringe katalytische Aktivität aufweisen, welche nicht ausreicht, die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Die Messpumpzelle kann insbesondere eingerichtet sein, um die Einstellkammer von der Erfassungskammer zu trennen. Weiterhin ist die Zersetzungselektrode der Messpumpzelle katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente. Die Zersetzungselektrode kann weiterhin eingerichtet sein, um die erste Gaskomponente in die Einstellkammer zu transportieren. Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle können mindestens eine Perforation umfassen oder einen von der Pumpzelle bzw. der Messpumpzelle getrennt ausgebildeten Kanal zum Transport von dem Messgasraum zu der Einstellkammer und/oder zum Transport von der Einstellkammer zu der Erfassungskammer. Es können weitere Kammern zwischen der Einstellkammer und der Erfassungskammer vorhanden sein, insbesondere um die Diffusionslänge für das Gas in die Erfassungskammer zu erhöhen oder um die Konzentration der zweiten Gaskomponente (z.B. NOx, NO, NO2,) durch eine weitere Verringerung der Konzentration der ersten Gaskomponente (z.B. O2) vor der Erfassungskammer weiter zu erhöhen. Hierbei können insbesondere gering katalytisch aktive Pumpzellen verwendet werden. Weiterhin können unterschiedliche katalytische Pumpelektroden und/oder Messpumpelektronen und/oder unterschiedliche elektrische Spannungen an den Pumpelektroden und/oder an den Messpumpelektroden verwendet werden, um weitere zweite Gaskomponenten (NO, NO2) zu bestimmen und/oder um Verhältnisse von den Zersetzungsprodukten zu bestimmen. Dies kann durch eine entsprechende Materialzusammensetzung der Elektroden oder durch die an die Elektroden angelegte Spannung erreicht werden. Die Elektroden können in diesem Fall eingerichtet sein, um lediglich eine bestimmte Gaskomponente zu zersetzen.
Das Sensorelement kann die Sprungsonde umfassen. Die Sprungsonde kann eingerichtet sein, um einen Gehalt der ersten Gaskomponente in der Einstellkammer zu regeln, insbesondere auf eine Luftzahl von λ=1. Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle können mindestens ein Profil, insbesondere eine Stützstruktur aufweisen. Insbesondere kann das Sensorelement mehrere Pumpzellen und Messpumpzellen aufweisen, welche parallel geschaltet sind. Die Pumpzelle und/oder die Messpumpzelle können die Perforation, insbesondere Diffusionslöcher, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement den Gaskanal aufweisen, welche den Messgasraum mit der Einstellkammer verbindet. Das Sensorelement kann die mindestens eine weitere Einstellkammer und die mindestens eine weitere Pumpzelle aufweisen, welche eingerichtet ist, um eine Konzentration der zweiten Gaskomponente zu der Erfassungskammer zu erhöhen. In dem Ausführungsbeispiel, in welchem das Sensorelement weitere Messpumpzellen umfasst, welche unterschiedlich katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sind und/oder die Messpumpzelle und die mindestens eine weitere Messpumpzelle sich in der angelegten elektrischen Spannung unterscheiden, können unterschiedliche zweite Gaskomponenten und/oder Verhältnisse von den Zersetzungsprodukten bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; und
3A–3C weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum in Schnittdarstellung.
Beschreibung der Ausführungsformen
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Das Sensorelement 110 umfasst mindestens eine Einstellkammer 114 und mindestens eine mit der Einstellkammer 114 verbundene Erfassungskammer 116, mindestens eine Pumpzelle 118 und mindestens eine Messpumpzelle 120. Die Pumpzelle 118 und die Messpumpzelle 120 können als Membran ausgebildet sein, die eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,1μm bis 50μm, bevorzugt im Bereich von 0,5μm bis 5μm aufweist. In 1 bemisst sich die Schichtdicke in der Richtung von unten nach oben, also senkrecht zur flächigen Erstreckung der Membran.
Das Sensorelement 110 kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement 122 sein. Das Sensorelement 110 kann mindestens ein Trägersubstrat 124 aufweisen, auf welchem die Membran bzw. die Pumpzelle 118 seitlich (in der 1: links und rechts) zumindest teilweise aufliegen kann. Das Trägersubstrat 124 kann insbesondere ein Halbleitersubstrat 126 sein. Dieses kann z.B. scheibenförmig oder plattenförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat 124 Silizium umfassen. Auch weitere Halbleitermaterialien sind grundsätzlich denkbar. Die Pumpzelle 118 und die Messpumpzelle 120 können gegenüber dem Trägersubstrat 124 durch mindestens ein Isolationsmaterial 128 elektrisch isoliert sein. Das Isolationsmaterial 128 kann beispielsweise eine Siliziumverbindung umfassen, insbesondere Siliziumdioxid. Auch weitere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Das Trägersubstrat 124 kann mindestens eine Kaverne 130 umfassen. Vorzugsweise kann es sich um eine in das Trägersubstrat 124 von einer Trägersubstratoberfläche 132 aus hineinragende Kaverne 130 handeln. Die Kaverne 130 kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Es kann auch alternativ oder zusätzlich einen polygonalen (z.B. dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, hexagonalen, etc.), runden oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Die Pumpzelle 118 kann auf der Trägersubstratoberfläche 132 angeordnet sein und die Kaverne 130 ganz oder zumindest teilweise bedecken. Die Messpumpzelle 120 kann innerhalb der Kaverne 130 angeordnet sein und die Einstellkammer 114 von der Erfassungskammer 116 trennen.
Die Einstellkammer 114 ist mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Insbesondere kann die Einstellkammer 114 über mindestens einen Gaszugang 134 mit dem Messgasraum 112 verbunden sein und über den Gaszugang 134 mit dem Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann der Gaszugang 134 mindestens eine Perforation 136 in der Pumpzelle 118 umfassen.
Die Pumpzelle 118 ist eingerichtet, um eine erste Gaskomponente des Gases, insbesondere molekularen Sauerstoff (O2), aus der Einstellkammer 114 zu entfernen oder die erste Gaskomponente der Einstellkammer 114 zuzuführen, insbesondere durch einen Pumpvorgang. Die Pumpzelle 118 kann mindestens einen Festkörperelektrolyten 138 umfassen und ionisch leitfähige Eigenschaften aufweisen. Der Festkörperelektrolyt 138 kann insbesondere Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), umfassen. Auch weitere Materialien sind denkbar. Die Pumpzelle 118 kann weiterhin mindestens zwei Pumpelektroden 140 umfassen. Die Pumpelektroden 140 können durch den Festkörperelektrolyten 138 miteinander verbunden sein. Dabei ist der Festelektrolyt 138 bzw. die Festelektrolytschicht 138 entlang der Schichtdickenrichtung betrachtet (also in 1 von unten nach oben) zwischen den zwei Pumpelektroden 140 angeordnet. Die Pumpelektroden 140 können insbesondere eine Platin-Gold-Legierung umfassen. Durch diese Platin-Gold-Legierung wird bewirkt, dass die zweite Gaskomponente (z.B. NOx, etc.) nicht zersetzt bzw. gespalten werden kann. Gleichzeitig kann die erste Gaskomponente (z.B. O2) durch die Pumpzelle 118 von der Einstellkammer 114 in den Messgasraum 112 gepumpt werden. Auch weitere Materialen sind denkbar, die vorzugsweise eine Zersetzung der zweiten Gaskomponente nicht erlauben.
Die Messpumpzelle 120 weist mindestens eine in der Erfassungskammer 116 angeordnete Zersetzungselektrode 142 auf, welche katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente, insbesondere NOx, des Gases ist. Die Zersetzungselektrode 142 ist weiterhin eingerichtet, um die zweite Gaskomponente in Zersetzungsprodukte zu spalten. Die Messpumpzelle 120 ist eingerichtet, um mindestens eines der Zersetzungsprodukte, insbesondere Sauerstoff, ganz oder teilweise von der Erfassungskammer 116 in die Einstellkammer 114 zu überführen, insbesondere durch einen Pumpvorgang. Die Zersetzungselektrode 142 kann insbesondere eine Platin-Ruthenium-Legierung umfassen. Je nach Zusammensetzung des Materials der Zersetzungselektrode 142, kann die Zersetzungselektrode 142 eingerichtet sein, um selektiv für einen Bestandteil der zweiten Gaskomponente zu sein. Die Zersetzungselektrode 142 kann insbesondere in der Erfassungskammer 116 angeordnet sein. Die Messpumpzelle 120 kann mindestens einen Schichtaufbau 144 aufweisen, welcher die Zersetzungselektrode 142, einen Festkörperelektrolyt 138 sowie eine weitere Elektrode 146 umfasst. Die weitere Elektrode 146 kann insbesondere eine Gold-Platin-Verbindung umfassen. Der Festkörperelektrolyt 138 kann die Zersetzungselektrode 142 und die weitere Elektrode 146 miteinander verbinden. Der Festkörperelektrolyt 138 bzw. die Festkörperelektrolytschicht kann dabei z.B. entlang der Schichtdickenrichtung der Messpumpenzelle 120 bzw. Messpumpen-Membran 120 betrachtet zwischen der Zersetzungselektrode 142 und der weiteren Elektrode 146 angeordnet sein. Die weitere Elektrode 146 kann insbesondere eine Pumpelektrode 140 sein und in der Einstellkammer angeordnet 114 sein.
Zwischen der Einstellkammer 114 und der Erfassungskammer 116 besteht eine Gasverbindung 148, über welche die Erfassungskammer 116 mit dem Gas aus der Einstellkammer 116 beaufschlagbar ist. Die Gasverbindung 148 kann mindestens eine Perforation 136 in der Messpumpzelle 120 umfassen.
Die von dem Sensorelement 110 zu erfassende Eigenschaft des Gases kann z.B. der Anteil einer Sauerstoffverbindung (NOx, NO, NO2) in dem Gas sein, insbesondere ein NOx-Anteil. Das Sensorelement 110 kann eingerichtet sein, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise von der Erfassungskammer 116 über die Messpumpzelle 120 und die Pumpzelle 118 in den Messgasraum 112 zu führen. Die Erfassungskammer 116 kann eingerichtet sein, um Sauerstoff als erste Gaskomponente aus der Einstellkammer 114 zurück in den Messgasraum 112 zu pumpen. Die Gasverbindung 148 kann eingerichtet sein, um das ganz oder teilweise um den Sauerstoff abgereicherte Gas zumindest teilweise in die Erfassungskammer 116 zu überführen. Die Messpumpzelle 120 kann eingerichtet sein, um mindestens eine Sauerstoffverbindung als zweite Gaskomponente in dem Gas in der Erfassungskammer 116 zu spalten und dabei erzeugten Sauerstoff als Zersetzungsprodukt zurück in die Einstellkammer 114 zu pumpen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 150 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112. Die Sensorvorrichtung 150 umfasst ein Sensorelement 110. Das Sensorelement 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß 1, so dass weitestgehend auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann.
Die Sensorvorrichtung 150 umfasst weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle 152 und mindestens eine elektrische Messvorrichtung 156. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung 150 mindestens eine erste elektrische Energiequelle 153 und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle 154 umfassen. Die erste elektrische Energiequelle 153 kann mit der Pumpzelle 118 verbunden sein und eingerichtet sein, um die Pumpzelle 118 mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Energiequelle 154 kann mit der Messpumpzelle 120 verbunden sein und eingerichtet sein, um die Messpumpzelle 120 mit einem Strom und/oder einer Spannung zu beaufschlagen. Die elektrische Messvorrichtung 156 ist mit der Messpumpzelle 120 verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messpumpzelle 120 und/oder einen elektrischen Strom durch die Messpumpzelle 120 zu erfassen.
3A bis 3C zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110. Das Sensorelement 110 entspricht jeweils in weiten Teilen der Anordnung gemäß 1, so dass weitestgehend auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 3A umfasst das Sensorelement 110 mindestens eine weitere Einstellkammer 158 und eine weitere Pumpzelle 160. Die weitere Pumpzelle 160 kann eingerichtet sein, um eine Konzentration der zweiten Gaskomponente in der Erfassungskammer 116 zu erhöhen, insbesondere im Vergleich zu einem analogen Fall mit nur einer Pumpzelle 118, wie in 1 dargestellt. Die weitere Pumpzelle 160 kann die Einstellkammer 114 und die weitere Einstellkammer 158 voneinander abtrennen. Die weitere Pumpzelle 160 kann identisch zu der Pumpzelle 118 sein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3A kann die Gasverbindung 148 mindestens einen Kanal 162 als Gasverbindung 148 umfassen. Der Kanal 162 kann von der Messpumpzelle 120 und der Pumpzelle 118 getrennt ausgebildet ein und mindestens ein poröses Material umfassen. Weiterhin kann der Gaszugang 134 mindestens einen Gaskanal 164 umfassen. Der Gaskanal 164 kann den Messgasraum 112 mit der Einstellkammer 114 verbinden. Der Gaskanal 164 kann von der Pumpzelle 118 getrennt ausgebildet sein und mindestens ein poröses Material umfassen. Weiterhin kann zwischen der Einstellkammer 114 und der weiteren Einstellkammer 158 ein weiterer Gaskanal 166 als Gaszugang 134 ausgebildet sein. Der weitere Gaskanal 166 kann getrennt zu der weiteren Pumpzelle 160 ausgebildet sein und zu dem Gaskanal 164 identisch sein. Mit anderen Worten: der weitere Gaskanal 160 kann von der weiteren Pumpzelle 160 separat ausgebildet sein.
Das Sensorelement 110 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3B kann den Gaszugang 134 sowie die Gasverbindung 148 gemäß dem Ausführungsbeispiel, welches in 3A gezeigt ist, aufweisen. Für weitere Details wird daher auf die Beschreibung der 3A oben verwiesen. Das Sensorelement 110 kann weiterhin mindestens eine weitere Erfassungskammer 168 und mindestens eine weitere Messpumpzelle 170 aufweisen. Die weitere Messpumpzelle 170 kann die Einstellkammer 114 und die weitere Erfassungskammer 168 voneinander abtrennen. Die Messpumpzelle 120 und die weitere Messpumpzelle 170 können unterschiedlich aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein. Insbesondere kann die weitere Messpumpzelle 170 eine weitere Zersetzungselektrode 172 aufweisen. Die Zersetzungselektrode 142 und die weitere Zersetzungselektrode 172 können unterschiedliche Materialien, insbesondere unterschiedliche Platin-Ruthenium-Legierungen aufweisen.
Das Sensorelement 110 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3C kann weiterhin mindestens eine Sprungsonde 174 aufweisen. Die Sprungsonde 174 kann eingerichtet sein, um eine Konzentration der ersten Gaskomponente in der Einstellkammer 114 zu erfassen und beispielsweise zu regeln. Die Sprungsonde 174 kann beispielsweise mindestens eine Nernstzelle 178 umfassen. Die Nernstzelle 178 analog zu der Pumpzelle 118 aufgebaut sein. Weiterhin kann die Nernstzelle 178 eine Kammer 176 von der Einstellkammer 114 abtrennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0003]

Claims

Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend: • mindestens eine Einstellkammer (114) und mindestens eine mit der Einstellkammer (114) verbundene Erfassungskammer (116), wobei die Einstellkammer (114) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist; • mindestens eine Pumpzelle (118), wobei die Pumpzelle (118) eingerichtet ist, um eine erste Gaskomponente des Gases aus der Einstellkammer (114) zu entfernen oder die erste Gaskomponente der Einstellkammer (114) zuzuführen; • mindestens eine Messpumpzelle (120), wobei die Messpumpzelle (120) mindestens eine in der Erfassungskammer (116) angeordnete Zersetzungselektrode (142) aufweist, welche katalytisch aktiv gegenüber einer zweiten Gaskomponente des Gases ist und eingerichtet ist, um die zweite Gaskomponente in Zersetzungsprodukte zu spalten, wobei eine Gasverbindung (148) zwischen der Einstellkammer (114) und der Erfassungskammer (116) besteht, über welche die Erfassungskammer (116) mit Gas aus der Einstellkammer (114) beaufschlagbar ist, wobei die Messpumpzelle (120) eingerichtet ist, um mindestens eines der Zersetzungsprodukte ganz oder teilweise von der Erfassungskammer (116) in die Einstellkammer (114) zu überführen.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zersetzungsprodukte die erste Gaskomponente aufweisen, wobei das Sensorelement (110) eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise von der Erfassungskammer (116) über die Messpumpzelle (120) und die Pumpzelle (118) in den Messgasraum (112) zu führen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) weiterhin mindestens eine Nernstzelle aufweist, welche eingerichtet ist, um einen Gehalt der ersten Gaskomponente in der Einstellkammer zu überwachen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft des Gases ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas ist, insbesondere ein NOx-Anteil, wobei die Erfassungskammer (116) eingerichtet ist, um Sauerstoff als erste Gaskomponente aus der Einstellkammer (114) zurück in den Messgasraum (112) zu pumpen, wobei die Gasverbindung (148) eingerichtet ist, um die ganz oder teilweise um das ganz oder teilweise um den Sauerstoff abgereicherte Gas zumindest teilweise in die Erfassungskammer (116) zu überführen, wobei die Messpumpzelle (120) eingerichtet ist, um mindestens eine Sauerstoffverbindung als zweite Gaskomponente in dem Gas in der Erfassungskammer (116) zu spalten und dabei erzeugten Sauerstoff als Zersetzungsprodukt zurück in die Einstellkammer (114) zu pumpen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Element mindestens eine Perforation in der Messpumpzelle oder in der Pumpzelle umfasst, wobei das Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: – der Gasverbindung (148); – einem Gaszugang (134), über welchen die Einstellkammer (114) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) ein mikromechanisches Sensorelement (122) ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine weitere Einstellkammer (158) und mindestens eine weitere Pumpzelle (160) aufweist, wobei die weitere Pumpzelle (160) eingerichtet ist, um eine Konzentration der zweiten Gaskomponente in der Erfassungskammer (116) zu erhöhen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine weitere Erfassungskammer (168) und mindestens eine weitere Messpumpzelle (170) aufweist, wobei die Messpumpzelle (120) und die weitere Messpumpzelle (170) unterschiedlich katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sind.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (118) mit einer ersten elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die Messpumpzelle (120) mit einer zweiten elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei sich die erste elektrische Spannung und die zweite elektrische Spannung voneinander unterscheiden.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zersetzungselektrode (142) mindestens ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; einer Platinlegierung, insbesondere einer Platin-Ruthenium-Legierung, besonders bevorzugt einer Platin-Palladium-Legierung.
Sensorvorrichtung (150) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: • mindestens eine elektrische Energiequelle (152), wobei die elektrische Energiequelle (152) mit mindestens einer Zelle verbunden ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der Pumpzelle (118), der Messpumpzelle (120), wobei die elektrische Energiequelle (152) eingerichtet ist, um die Zelle mit mindestens einer physikalischen Größe zu beaufschlagen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Strom, einer Spannung; und • mindestens eine elektrische Messvorrichtung (156), wobei die elektrische Messvorrichtung (156) mit der Messpumpzelle (120) verbunden ist und eingerichtet ist, um eine elektrische Spannung an der Messpumpzelle (120) und/oder einen elektrischen Strom durch die Messpumpzelle (120) zu erfassen.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend eine Verwendung des Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorelement (110) betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen des Sensorelements (110); b) Beaufschlagen der Einstellkammer (114) mit dem Gas aus dem Messgasraum (112); c) Vollständiges oder teilweises Entfernen einer ersten Gaskomponente aus der Einstellkammer (114) mittels der Pumpzelle (118); und d) Erfassen eines Pumpstroms an der Messpumpzelle (120).