DE102015226017A1

DE102015226017A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102015226017A1
Application number: DE102015226017.8A
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl; Jens Schneider; Benjamin Sillmann; Thilo Lehre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Also published as: FR3045832A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst mindestens einen Festelektrolytkörper (12), einen Elektrodenhohlraum (20), eine Pumpzelle (40), einen Referenzgaskanal (26) und ein Heizelement (28). Die Pumpzelle (40) weist eine in dem Elektrodenhohlraum (20) angeordnete erste Elektrode (42) und eine zweite Elektrode (44), die auf einer dem Messgas aussetzbaren Oberfläche (18) des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet ist, auf. In dem Referenzgaskanal (26) ist eine dritte Elektrode (46) angeordnet. Das Heizelement (28) und die zweite Elektrode (44) sind auf eine gemeinsame Zuleitung (34) gelegt. Weiterhin wird ein Sensor (52) mit einem Sensorelement (10) vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise andere Abgasbestandteile, insbesondere Wasser, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe usw., oder die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, erste Auflage 2010, S. 160 bis 165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit Planar- und Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Derartige Sensorelemente weisen üblicherweise ein Heizelement auf. Das Heizelement kann in das Sensorelement integriert sein. Die Sensorelemente werden mittels des Heizelements nach Motorstart innerhalb weniger Sekunden auf eine Betriebstemperatur von ungefährt 700 °C bis 800 °C erwärmt.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So existiert nachwievor der Bedarf, die Anzahl von Elektroden bei den Sensorelementen zu reduzieren, um die Herstellung des Sensorelements und der Peripherie zu vereinfachen sowie die mit der Herstellung verbundenen Kosten zu senken.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere die bauliche Konstruktion derart vereinfacht ist, dass sich eine Elektrode und ein Heizelement-Anschluss auf eine gemeinsame Zuleitung legen lassen.
Eine erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens einen Festelektrolytkörper, eine Pumpzelle, einen Elektrodenhohlraum, einen Referenzgaskanal und ein Heizelement. Die Pumpzelle weist eine im Elektrodenhohlraum angeordnete erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die auf einer dem Messgas aussetzbaren Oberfläche des Festelektrolykörpers angeordnet ist. In dem Referenzgaskanal ist eine dritte Elektrode angeordnet. Das Heizelement und die zweite Elektrode sind auf eine gemeinsame Zuleitung gelegt. Dadurch kann das Sensorelement mit einer Auswerteschaltung betrieben werden, die keine Potenziale außerhalb der Spannung eines Bordnetzes eine Kraftfahrzeugs anlegt. Daher entstehen gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik keine Zusatzkosten im Steuergerät für eine Spannungsversorgung außerhalb der Bordnetzspannung. Stattdessen lassen sich Herstellungskosten aufgrund der verringerten Anzahl an Elektroden senken.
Die gemeinsame Zuleitung kann mit dem Minuspol des Heizelements verbunden sein. Die zweite Elektrode kann mittels eines in dem Festelektrolykörper ausgebildeten Widerstands auf die gemeinsame Leitung gelegt sein. Ein Gesamtwiderstand des Widerstands und des Festelektrolykörpers zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode kann von 200 Ω bis 1800 Ω sein. Die gemeinsame Zuleitung kann aus einem Material hergestellt sein, das Platin und ein Stützgerüst umfasst. Ein Anteil des Stützgerüsts an der gemeinsamen Zuleitung kann von 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% und bevorzugt von 20 Vol.-% bis 35 Vol.-% sein. Die gemeinsame Zuleitung kann aus einem Material hergestellt sein, das eine Keramik umfasst. Die Keramik kann mindestens ein Perovskit aufweisen. Die zweite Elektrode kann von einer Schutzschicht bedeckt sein. Die Schutzschicht kann mindestens einen Getter aufweisen. Die zweite Elektrode kann einen Durchtrittswiderstand von nicht mehr als 50 Ω und bevorzugt nicht mehr als 10 Ω aufweisen.
Des Weiteren wird ein Sensor vorgeschlagen, der ein solches Sensorelement und eine Ansteuer- und/Auswerteschaltung aufweist. Die gemeinsame Zuleitung kann dabei auf Masse bzw. Ground der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung gelegt sein.
Unter einem Festelektrolykörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionenleitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolykörper kann auch aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Namen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolytkörper derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolytkörper und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolytkörper eingebaut und/oder aus dem Festelektrolytkörper ausgebaut werden können. Die Elektrode befindet sich dabei an einer Stelle des Festelektrolykörpers, an der die Ionenleitung während des Betriebs stattfindet bzw. ein bestimmter Minimalwert der Ionenleitfähigkeit des Festelektrolytkörpers vorliegt. Typischerweise sind die Elektroden als Edelmetallelektroden ausgebildet, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektroden auf dem oder in dem Festelektrolytkörper angebracht sein oder auf andere Weise mit dem Festelektrolytkörper in Verbindung stehen können. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle wie beispielsweise Gold oder Palladium sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Heizelement ist im Namen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolytkörpers und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der der Festelektrolytkörper für Ionen leiten wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 600 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der sich während eines Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn erwärmt. Der Heizbereich und/oder die Zuleitungsbahn sind beispielsweise als eine elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die stärkere Erwärmung des Heizkörpers im Vergleich zu dem Widerstandsbahn kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand als die Zuleitungsbahn aufweist. Dies kann durch die Wahl des Materials und/oder eine kleinere Querschnittsfläche als die Zuleitungsbahn realisiert werden.
Unter einem Durchtrittswiderstand ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Widerstand zu verstehen, der einen Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem elektrochemisch aktiven Teil des Festelektrolytkörpers behindert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine Unteransicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine Unteransicht eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine Darstellung von Strömen gegenüber dem Pumpstrom, und
6 eine Darstellung Spannungen gegenüber dem Pumpstrom.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 ins Innere des Festelektrolykörpers 12 erstreckt. In dem Festelektrolykörper 12 ist ein Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers in das Innere des Festelektrolytkörpers 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw. Abluftkanal ausgebildet.
Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30 und eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine in dem Elektrodenhohlraum 20 angeordnete erste Elektrode 42 und eine zweite Elektrode 44 auf. Die zweite Elektrode ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die zweite Elektrode befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des Heizelements 28. In dem Referenzgaskanal 26 ist eine dritte Elektrode 46 angeordnet. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 42 und der zweiten Elektrode 44 über den Festelektrolytkörper 12 zwischen diesen dar. Die dritte Elektrode 46 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heisst, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz.
Die erste Elektrode 42, die dritte Elektrode 46 und der Teil des Festelektrolytkörpers 12 zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 46 bilden beispielsweise eine Nernstzelle 48. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 48 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 46 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der dritten Elektrode 46, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgeschlagen, dass das Heizelement 28 und die zweite Elektrode 44 auf eine gemeinsame Zuleitung gelegt sind. Die gemeinsame Zuleitung ist bei diesem Ausführungsbeispiel die zweite Zuleitungsbahn 34. Entsprechend ist die gemeinsame Zuleitung mit dem Minuspol 38 des Heizelements 30 verbunden. Insbesondere ist die zweite Elektrode 44 mittels eines in dem Festelektrolytkörper 12 ausgebildeten Widerstands 50 auf die gemeinsame Leitung gelegt. Ein Gesamtwiderstand des Widerstands 50 und eines durch den Festelektrolytkörper 12 zwischen der zweiten Elektrode 44 und der dritten Elektrode 46 gebildeten Widerstands kann von 200 Ω bis 1800 Ω sein, beispielsweise 1000 Ω.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 52, der das Sensorelement 10 und eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 54 aufweist. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 54 weist einen Pumpspannungsregler 56, eine erste steuerbare Stromquelle 58, einen Referenzwertgeber 60, einen Invertierer 62, einen Unterspannungsbegrenzer 64 und eine zweite steuerbare Stromquelle 66 auf. Die gemeinsame Zuleitung 34 ist auf Masse 68 der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung gelegt. Der Pumpspannungsregler 56 ist sowohl mit der ersten Elektrode 42 als auch mit der dritten Elektrode 46 verbunden. Des Weiteren ist der Pumpspannungsregler 56 mit der ersten steuerbaren Stromquelle 58 verbunden. Der Pumpspannungsregler 56 gibt weiterhin einen Sollwert für den Pumpstrom an den Referenzwertgeber 60 vor. Der Referenzwertgeber 60 wiederum gibt diesen Wert an den Invertierer 62 weiter, die wiederum mit dem Unterspannungsbegrenzer 64 verbunden ist. Der Unterspannungsbegrenzer 64 wiederum ist mit der zweiten steuerbaren Stromquelle 66 verbunden, die wiederum mit der dritten Elektrode 46 und dem Pumpspannungsregler 56 verbunden ist. Auf diese Weise wird aus einem Sollwert für den Pumpstrom der ersten steuerbaren Stromquelle 58 über eine Rechenvorschrift ein Sollwert für die zweite steuerbare Stromquelle 66 berechnet. Anstelle des Referenzwertgebers 60 und des Invertieres 62 kann eine Sollwertverarbeitungseinheit vorgesehen sein, die mittels einer Software die gRechenschritte für die Berechnung des Sollwerts für die zweite steuerbare Stromquelle 66 durchführt. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 54 wiederum kann mit der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise einer Spannungsquelle des Kraftfahrzeugs, über einen Anschluss 70 verbunden sein.
Um den erforderlichen hohen Elektrolytwiderstand zu erzielen, wird die zweite Elektrode 44 auf diejenige Seite des Festelektrolytkörpers 12 gedruckt bzw. angebracht, auf der sich das Heizelement 28 befindet. Jedoch ist auch eine Anordnung auf der Seite des Gaszutrittslochs 16 möglich. In diesem Fall ist der hohe Elektrolytwiderstand über eine zusätzliche Aluminiumoxidisolationsschicht zwischen der zweiten Elektrode 44 und der dritten Elektrode 46 zu realisieren, die über eine geeignete Geometrie den Leitpfad zwischen der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 verlängert. Alternativ könnte der Festelektrolytkörper 12 zwischen der dritten Elektrode 46 und der vierten Elektrode 44 aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid bestehen, wobei der Zirkoniumdioxid-Anteil im Aluminiumoxid zwischen 25 % und 70 % beträgt, vorzugsweise 50 %. Zusätzlich wird über eine geeignete Geometrie der Zuleitung ein hoher Zuleitungswiderstand der zweiten Elektrode 44 erzielt, die nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
3 zeigt eine Unteransicht eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform ist die zweite Elektrode 44 von einer Schutzschicht 72 bedeckt. Die Schutzschicht 72 ist ausgebildet, eine Vergiftung der zweiten Elektrode 44 zu vermeiden. Die Schutzschicht 72 kann aus diesem Grund einen Getter 74 umfassen, beispielsweise einen Phosphor-Getter, der beispielsweise in Form von geeigneten Aluminium-, Kalzium-, Barium- oder Zinkverbindungen mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% eingebracht ist. Der hohe Zuleitungswiderstand der vorzugsweise abgedeckten zweiten Zuleitungsbahn 34 wird durch eine schmale, langgestreckte, vorzugsweise in Schleifen bzw. als Mäander geführte Leitstruktur aus Platin, Platinlegierung oder Platin-Cermet realisiert. Beispielsweise lässt sich diese zweite Zuleitungsbahn 24 mit konventionellem Siebdruck realisieren. So wird beispielsweise nach einem Sintern des Festelektrolytkörpers eine 200 µm bis 1000 µm, vorzugsweise 450 µm, breite Leiterbahn mit geringer Dicke von 5 µm bis 20 µm, vorzugsweise 10 µm, und vorzugsweise hohem Stützgerüstgehalt an Aluminiumoxid von 5 Vol.-% bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 20 Vol.-% bis 35 Vol.-%, beispielsweise 30 Vol.-%, in mehreren, beispielsweise 1 bis 20, vorzugsweise 5, Leiterbahnschlaufen ausgeführt. Alternativ kann die zweite Zuleitungsbahn 34 mit Siebdruck von sogenannten Fein-Line-Strukturen realisiert werden. Nach dem Sintern des Festelektrolytkörpers 12 wird beispielsweise eine 50 µm bis 100 µm breite, vorzugsweise 100 µm, Leiterbahn mit geringer Dicke von 2 µm bis 8 µm, vorzugsweise 2 µm bis 5 µm, beispielsweise 4 µm, und vorzugsweise als Cermet mit niedrigem Stützgehalt oder als Stützgerüst-Freileitstruktur in einer Vielzahl von Leiterbahnschlaufen, vorzugsweise 15 bis 50, beispielsweise 35, ausgeführt.
In jedem Fall wird die zweite Elektrode 44 mit einem Durchtrittswiderstand von nicht mehr als 50 Ω und bevorzugt nicht mehr als 10 Ω realisiert, beispielsweise 5 Ω. Dies sorgt dafür, dass die Pumpspannung an dem Widerstand des Festelektrolytkörpers 12 und des Widerstands der zweiten Zuleitungsbahn 34 abfällt und nicht über eine hohe Spannung am Interface zu Schwarzfärbung bzw. zu Leistungsreduktion führt. Für einen derartig geringen Durchtrittswiderstand ist beispielsweise eine Fläche der zweiten Elektrode 44 von mindestens 8 mm² vorgesehen bzw. kann die zweite Elektrode 44 in einem Bereich des Festelektrolytkörpers angeordnet werden, in dem bei Betrieb Temperaturen von mindestens 700 °C herrschen, um Platin zu sparen.
4 zeigt eine Unteransicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorelement 10 der dritten Ausführungsform ist im Gegensatz zu dem Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform die zweite Zuleitungsbahn 34 aus einem Material hergestellt, das eine Keramik umfasst. Die Keramik weist dabei mindestens einen Perovskit auf. Viele Perovskite weisen eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit auf, um damit eine zweite Zuleitungsbahn 34 im Sinne der vorliegenden Erfindung auszuführen. Perovskite reagieren üblicherweise beim Co-Sintern mit dem stabilisierten Zirkoniumdioxid des Festelektrolytkörpers 12 bei Sintertemperaturen zwischen 1200 °C und 1500 °C. Dabei bilden sich an der Grenzschicht Reaktionsprodukte in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Perovskite. Lanthan-Strontium-Manganat bildet beispielsweise abhängig vom Strontiumgehalt entweder La₂Zr₂O₇ oder SrZrO₃, siehe . Diese Reaktionsprodukte besitzen wiederum eine sehr geringe Leitfähigkeit, siehe . Bei 730 °C ist z.B. die spezifische Leitfähigkeit von SrZrO₃ 50fach geringer als von stabilisierten Zirkoniumdioxid. Die Materialzusammensetzung der peroviskitschen Zuleitungs-Paste für die zweite Elektrode 44 ist dabei so zu wählen, dass sich beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid im Temperaturbereich 1300 °C bis 1400 °C eine ausreichend dicke Schicht an La₂Zr₂O₇ oder SrZrO₃ bildet, so dass auf die beim Stand der Technik verwendeten Al₂O₃-Isolationsschicht unter der APE-Zuleitung verzichtet werden kann. Hierdurch kann das Widerstandselement kostengünstig ausgeführt werden. Mögliche Materialzusammensetzungen sind:

a. La_xSr_1-xMn_3-y mit x im Bereich 0,1 bis 0,3, vorzugsweise 0,2. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid ist La₂Zr₂O₇.
b. La_xSr_1-xMn_3-y mit x im Bereich 0,4 bis 0,7, vorzugsweise 0,5. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid ist SrZrO₃.
c. La_xSr_1-xFe_3-y mit x im Bereich 0,1 bis 0,3, vorzugsweise 0,2. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit YSZ ist La₂Zr₂O₇.
d. La_xSr_1-xFe_3-y mit x im Bereich 0,4 bis 0,7, vorzugsweise 0,5. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid ist SrZrO₃.
e. La_xSr_1-xCo_3-y mit x im Bereich 0,1 bis 0,3, vorzugsweise 0,2. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid ist La₂Zr₂O₇.
f. La_xSr_1-xCo_3-y mit x im Bereich 0,4 bis 0,7, vorzugsweise 0,5. Die sich bildende Isolationsschicht beim Co-Sintern mit stabilisierten Zirkoniumdioxid ist SrZrO₃.

Abhängig vom gemessenen Pumpstrom wird der Sollwert für die Pumpspannung-Regelung vorgegeben. Der Sollwert ist üblicherweise 200mV bis 800 mV. Die Pumpspannung kann dabei belastet, d.h. Pumpstrom fließt, oder unbelastet, d.h. in einer stromlosen Phase, gemessen werden. Als Messgröße dient der in die erste Elektrode 42 gestellte Pumpstrom.
Im Falle von fettem Abgas werden Sauerstoffionen von der zweiten Elektrode 44 zur ersten Elektrode 42 gepumpt. Dafür ist es erforderlich, dass der Sauerstoffionenstrom von der zweiten Elektrode 44 zur dritten Elektrode 46 größer ist als der von der dritten Elektrode 46 zur ersten Elektrode 42, damit die die dritte Elektrode 46 ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird. Dies erfolgt durch Anlegen einer Spannung an die dritte Elektrode 46.
Die Spannung an der ersten Elektrode 42 kann abhängig von der Fettgaskonzentration über oder unter der Spannung an der dritten Elektrode 46 liegen. Da für den Sauerstoffionenstrom von der zweiten Elektrode 44 zu der dritten Elektrode 46 im Fettgas eine Spannung > 1V erforderlich ist, liegt die Spannung an der ersten Elektrode 42 in jedem Fall deutlich über GND, bzw. der durch die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 54 bzw. deren ASIC gegebenen minimalen Spannung.
Im Falle von magerem Abgas wird die dritte Elektrode 46 bereits durch den Sauerstoffionen strom der ersten Elektrode 42 ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Ein zusätzlicher Sauerstoffionenstrom der zweiten Elektrode 44 ist also nicht erforderlich.
Da die durch die Auswerteschaltung bedingte minimal zulässige Spannung der ersten Elektrode 42 dem GND-Potenzial bzw. Masse-Potenzial entspricht, bzw. typischerweise sogar knapp darüber liegen muss, wird in diesem Fall die dritte Elektrode 46 zwangsweise auf ein höheres Potenzial gesetzt, welches durch die erforderliche Pumpspannung vorgegeben wird.
Dies hat zur Folge, dass auch in magerem Abgas zusätzlich ein Sauerstoffionenstrom von der zweiten Elektrode 44 zur dritten Elektrode 46 gepumpt wird, was ein Aufpumpen des Referenezgaskanal 26 verursacht. Die zwischen der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 anliegende Spannung wird durch die erforderliche Pumpspannung vorgegeben. Der resultierende Sauerstoffionenstrom hängt neben der erforderlichen Pumpspannung der Elektrode zweiten Elektrode 44, die sehr klein ist auch von der Summe aus dem Zuleitungswiderstand der zweiten Elektrode 44 sowie dem Elektrolytwiderstand zwischen der zweiten Elektrode 44 und der dritten Elektrode 46 ab.
Die Summe aus dem Zuleitungswiderstand der zweiten Elektrode 44 sowie dem Elektrolytwiderstand zwischen der zweiten Elektrode 44 und der dritte Elektrode 46 ist so zu wählen, dass sowohl die zur Verfügung stehende Pumpspannung ausreicht, um den Strom der dritten Elektrode 46 bei minimalem Lambda (fett) zu treiben, als auch das Aufpumpen des Referenzgaskanals 26 bei magerem Abgas, sowie die damit einhergehende Beanspruchung der zweiten Elektrode 44 minimiert wird
Die Dimensionierung des Gesamtwiderstandes aus Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und Elektrolytwiderstand erfolgt nach den oben genannten Bedingungen: R(Zuleitung + Elektrolyt) = 1000 Ω ± 800 Ω
Der Mittlere Wert von R(Zuleitung + Elektrolyt) = 1000 Ω wurde anhand folgender Annahmen abgeschätzt:
Fettgas: Elektrodenspannung = 1V, Pumpstrom = 3 mA, maximale Spannung = 4V, Mager: Elektrodenspannung = 0V, Spannung an dritter Elektrode 46 = 1V, maximaler Strom der zweiten Elektrode 44 = 1 mA.
Das Verhältnis von Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 zu Elektrolytwiderstand wird im Rahmen des technisch Möglichen festgelegt: R_Zuleitung/R_Elektrolyt = 0,01 bis 100.
Zusätzlich sollte der Durchtrittswiderstand der zweiten Elektrode 44 kleiner 50 Ω und vorzugsweise kleiner 10 Ω gewählt werden, damit die Pumpspannung an Elektrolytwiderstand und am Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 abfällt und nicht über eine hohe Spannung am Interface zu Schwarzfärbung bzw. Leistungs-Reduktion führt.
5 eine Darstellung von Sauerstoffionenström engegenüber dem Pumpstrom. Die Ströme sind auf der Y-Achse 76 und der Pumpstrom auf der X-Achse 78 aufgetragen. Die Linie 80 gibt einen Strom zwischen der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und großem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 82 gibt einen Strom zwischen der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und kleinem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 84 gibt einen Strom zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 46 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und großem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 86 gibt einen Strom zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 46 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und kleinem Elektrolytwiderstand an. Der Sauerstoffionenstrom der dritten Elektrode 46 als Differenz zwischen dem Strom der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und großem Elektrolytwiderstand und dem Strom zwischen der dritten Elektrode 46 und der zweiten Elektrode 44 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und kleinem Elektrolytwiderstand liegt im Fettgasbereich bei einem definierten Referenzwert für den Pumpstrom 88. Bei magerem Abgas wird neben dem Pumpstorm der ersten Elektrode 42 zusätzlich ein von dem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und dem Elektrolytwiderstand abhängiger Pumpstrom an der dritten Elektrode 46 ausgebaut. Diese beiden Ströme führen zu einem Aufpumpen 90 des Referenzgaskanals 26, dargestellt als Differenz zwischen der Linie 80 und den Linie 86, sowie zu einer Beanspruchung der zweiten Elektrode 44.
6 eine Darstellung von Spannungen engegenüber dem Pumpstrom. Die Spannungen sind auf der Y-Achse 92 und der Pumpstrom auf der X-Achse 94 aufgetragen. Die Linie 96 gibt eine Spannung an der dritten Elektrode 46 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und großem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 98 gibt eine Spannung an der dritten Elektrode 46 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und kleinem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 100 gibt eine Spannung an der ersten Elektrode 42 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und großem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 102 gibt eine Spannung an der ersten Elektrode 42 bei gegebenem Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und kleinem Elektrolytwiderstand an. Die Linie 104 gibt eine Minimalspannung der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 54 an, auf die die Pumpspannung bezogen ist. Die für den im Fettgas von der zweiten Elektrode 44 zur dritten Elektrode 46 erforderlichen Sauerstoffionenstrom erforderliche Pumpspannung an der dritten Elektrode 46 setzt sich aus der erforderlichen Pumpspannung der zweiten Elektrode 44 von ungefähr 1 V sowie dem durch den Strom an der zweiten Elektrode 44 verursachten Spannungsabfall 106 über Zuleitungswiderstand der zweiten Zuleitungsbahn 34 und dem Elektrolytwiderstand zusammen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend mindestens einen Festelektrolytkörper (12), einen Elektrodenhohlraum (20), eine Pumpzelle (40), einen Referenzgaskanal (26) und ein Heizelement (28), wobei die Pumpzelle (40) eine in dem Elektrodenhohlraum (20) angeordnete erste Elektrode (42) und eine zweite Elektrode (44), die auf einer dem Messgas aussetzbaren Oberfläche (18) des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet ist, aufweist, wobei in dem Referenzgaskanal (26) eine dritte Elektrode (46) angeordnet ist, wobei das Heizelement (28) und die zweite Elektrode (44) auf eine gemeinsame Zuleitung (34) gelegt sind.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die gemeinsame Zuleitung (34) mit einem Minuspol (38) des Heizelements (28) verbunden ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (44) mittels eines in dem Festelektrolytkörper (12) ausgebildeten Widerstand (50) auf die gemeinsame Leitung (34) gelegt ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Gesamtwiderstand des Widerstands (50) und des Festelektrolytkörpers (12) zwischen der zweiten Elektrode (44) und der dritten Elektrode (46) von 200 Ω bis 1800 Ω ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemeinsame Zuleitung (34) aus einem Material hergestellt ist, das Platin und ein Stützgerüst umfasst, wobei ein Anteil des Stützgerüsts an der gemeinsamen Zuleitung von 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% und bevorzugt von 20 Vol.-% bis 35 Vol.-% ist.
Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gemeinsame Zuleitung (34) aus einem Material hergestellt ist, das eine Keramik umfasst, wobei die Keramik mindestens einen Perovskit aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (44) von einer Schutzschicht (72) bedeckt ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzschicht (72) mindestens einen Getter (74) aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (44) eine Durchtrittswiderstand von nicht mehr als 50 Ω und bevorzugt nicht mehr als 10 Ω aufweist.
Sensor (52) mit einem Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung (54), wobei die gemeinsame Zuleitung (34) auf Masse (68) der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung (54) gelegt ist.