DE102020127483A1

DE102020127483A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102020127483A1
Application number: DE102020127483.1A
Authority: DE
Inventors: Arthur Rönisch; Lukas Joslowski
Original assignee: Turck Duotec GmbH
Current assignee: Duotec GmbH
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor 100 mit einer Schichtstruktur 10, die ein Substrat 1, zumindest zwei Elektroden 41, 42 und eine gassensitive Schicht 2 umfasst, wobei die gassensitive Schicht 2 und die Elektroden 41, 42 mittels Dickschichtverfahren auf das Substrat 1 aufgebracht sind und sich das Substrat 1, die Elektroden 41, 42 und die gassensitive Schicht 2 jeweils horizontal flächig erstrecken und jeweils eine vertikale Dicke aufweisen, wobei die Elektroden 41, 42 voneinander beabstandet und durch die gassensitive Schicht 2 miteinander verbunden sind. Als gassensitive Schicht 2 ist eine gassensitive Keramikschicht 2 vorgesehen, die einen Oberflächenabschnitt des Gassensors 100 bildet, wobei die Elektroden 41, 42 zwischen dem Substrat 1 und dem von der gassensitiven Keramikschicht 2 gebildeten Oberflächenabschnitt eingeschlossen sind und durch die gassensitive Keramikschicht 2 von diesem Oberflächenabschnitt isoliert sind, wobei insbesondere die vertikale Dicke der gassensitiven Keramikschicht 2 zwischen 10 und 100 µm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor sowie die Verwendung eines Gassensors zum Detektieren von Gasen.
Gattungsgemäße Gassensoren beruhen auf dem Prinzip, dass zwei Elektroden mit einer gassensitiven Schicht verbunden sind, insbesondere in diese eingebettet sind, deren elektrische Eigenschaft sich bei Anlagerung von Gasbestandteilen an der Schicht verändert. Beruhend auf diesem Grundprinzip sind sowohl Gassensoren bekannt, die sich den Aufbau einer Nernstspannung zu Nutze machen, die durch einen durch Gasdiffusion in die gassensitive Schicht induzierten Ionentransport entsteht, wobei durch Messung dieser Nernstspannung ein Rückschluss auf die Quantität des zu messenden Gases gezogen wird, als auch Gassensoren, bei denen sich durch Anlagerung und Diffusion von Gasmolekülen in die gassensitive Schicht deren elektrische Leitfähigkeit verändert, wobei bei solchen Gassensoren zwischen den Elektroden dauerhaft eine Spannung angelegt wird und aus einer Strom-Spannung bzw. Widerstandsmessung ein Rückschluss auf die Quantität des zu messenden Gases gezogen wird. Üblicherweise wird als Material der gassensitiven Schicht eine Keramik verwendet, insbesondere eine Keramik umfassend Metalloxide, beispielsweise ZrO₂, TiO₂, ZO₂, SnO₂, WO₃, SrTiO₃ und weitere im Stand der Technik bekannte Metalloxide.
Ferner sind auch SiO₂-basierte gassensitive Keramiken bekannt. Dabei wird je nach Anwendungsgebiet fachmännisch die geeignete Keramik und das geeignete Elektrodenmaterial, beispielsweise Platin gewählt, wobei stets die Auswahl dahingehend erfolgt, dass die jeweilige gassensitive Schicht aufgrund des gewählten Materials bei einer Anlagerung des zu detektierenden Gases, beispielsweise CO oder O2, an ihrer Oberfläche bzw. einer Diffusion des Gases in die Keramik ihre Leitfähigkeit verändert oder sich eine Spannung zwischen den Elektroden aufbaut, wobei darauf abgestellt ist, dass sich Keramiken nichtmetallisch verhalten und somit keine metallische Leitfähigkeit aufweisen. Dabei geben Gassensoren zur Quantifizierung eines Gases einen Sensorwert aus, der direkt von dem zwischen den Elektroden fließenden Strom oder von der zwischen den Elektroden anliegenden Spannung abhängt, während die Elektroden mit der gassensitiven Schicht verbunden sind. Da die Leitfähigkeit bzw. der Spannungsaufbau und damit die Sensitivität einer gassensitiven Schicht von der Temperatur der gassensitiven Schicht abhängt, ist die gassensitive Schicht üblicherweise mit einem Heizelement undinsbesondere mit einem Temperatursensor gekoppelt, damit die Quantifizierung des an dem Gassensor anliegenden Gases möglichst präzise erfolgen kann.
Gattungsgemäße Gassensoren sind dabei dergestalt aufgebaut, dass sie eine Schichtstruktur umfassen, die zumindest aus einem Substrat und zumindest zwei Elektroden gebildet ist, wobei das Substrat als eine gassensitive Schicht der Schichtstruktur ausgebildet ist und/oder die Schichtstruktur eine Abdeckungsschicht umfasst, die die Elektroden abdeckt und die als eine gassensitive Schicht der Schichtstruktur ausgebildet ist. Die Schichtstruktur umfasst somit jedenfalls zumindest eine gassensitive Schicht, die durch das Substrat oder durch die Abdeckungsschicht ausgebildet ist, wobei die Schichtstruktur auch zwei gassensitive Schichten aufweisen kann, von denen die erste durch das Substrat und die zweite durch die Abdeckungsschicht ausgebildet ist oder die durch zwei verschiedene Abdeckungsschichten ausgebildet sind. Die gassensitive Schicht und die Elektroden werden mittels herkömmlichem Dickschichtverfahren auf das Substrat aufgebracht. Bei einem solchen Dickschichtverfahren, das im Stand der Technik standardmäßig bekannt ist und eingesetzt wird, wird auf das Substrat eine Dickschichtpaste aufgebracht, wonach anschließend das Substrat mit aufgebrachter Dickschichtpaste bzw. aufgebrachten Dickschichtpasten gesintert wird zur Realisierung der Schichtstruktur. So ist beispielsweise bekannt, zur Realisierung einer gewünschten Schicht, die eine gewünschte Struktur aufweist und aus einem gewünschten Material hergestellt ist, eine gezielt ausgewählte Dickschichtpaste mit dem gewünschten Material zu verwenden und die gewünschte Struktur der Dickschichtpaste vorzusehen, wobei beispielsweise die Schicht entweder im Subtraktivverfahren realisiert wird, gemäß dem nach Aufbringen der ausgewählten Dickschichtpaste die gewünschte Struktur der Schicht durch Herausätzen von Flächen hergestellt wird, oder im Additivverfahren hergestellt wird, gemäß dem die gewünschte Dickschichtpaste direkt mit der gewünschten Struktur aufgebracht wird. Ferner ist bekannt, die Realisierung einer Schicht der Schichtstruktur mittels Dickschichtverfahren dergestalt durchzuführen, dass eine plattenartige Schicht mittels einer Dickschichtpaste mit dem Substrate verbunden wird und anschließend das Sintern erfolgt, durch das die Verbindung zwischen der plattenartigen Schicht und dem Substrat mittels der Dickschichtpaste abgeschlossen wird. Die Dicken der mittels Dickschichtverfahren realisierten Schichten der Schichtstruktur liegen typerweise zwischen 5 µm und 1 mm, insbesondere zwischen 5 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 200 µm.
Gattungsgemäße Gassensoren umfassend die erläuterte Schichtstruktur konkurrieren im Markt mit Gassensoren, die zwar auf demselben physikalischen Prinzip beruhen, die jedoch einen massiven Keramikkörper aufweisen, in dem die Elektroden und bevorzugt auch ein Heizelement eingeschlossen sind. Solche im Stand der Technik bekannte Gassensoren bringen den Vorteil mit sich, dass sie hinreichend robust ausgestaltet sind und somit auch in anspruchsvolleren Umgebungen und unter anspruchsvolleren Einsatzbedingungen, beispielsweise als von Servicepersonal zu installierende Nachrüstbauteile, beispielsweise bei Gasheizungen, zum Einsatz kommen können. Gattungsgemäße Gassensoren weisen mit ihrer Schichtstruktur keine entsprechend hinreichende Robustheit auf, bringen jedoch den Vorteil mit sich, dass eine Anlagerung bzw. Diffusion von Gasen an der gassensitiven Schicht wegen der geringen Dicke der gassensitiven Schicht schneller durch einen von dem Gassensor ausgegebenen Sensorwert wiedergegeben werden als bei Gassensoren mit einem trägen massiven Keramikkörper, und über das Dickschichtverfahren kann die Schichtstruktur materialsparend und einfach hergestellt werden. Da jedoch die Schichtstruktur von gattungsgemäßen Gassensoren keine hinreichende Stabilität aufweist, müssen gattungsgemäße Gassensoren, wenn sie zum Einsatz in anspruchsvolleren Umgebungen und unter anspruchsvolleren Bedingungen verwendet werden sollen, Schutzelemente aufweisen, die die Schichtstruktur bedecken und somit vor Zerstörung schützen. Üblicherweise umfassen gattungsgemäße Gassensoren hierzu ein rohrartiges Gehäuse, in dem die Schichtstruktur angeordnet ist und an dessen Ende ein Filter vorgesehen ist, damit chemisch aggressive Materialien und mechanische Schlageinwirkungen nicht direkt auf die Schichtstruktur einwirken können. Durch diese zwingend erforderlichen Schutzmaßnahmen sinkt jedoch der Vorteil von gattungsgemäßen Gassensoren gegenüber Gassensoren mit massivem Keramikkörper, da die Schutzmaßnahmen eine Einkapselung der Schichtstruktur mit sich bringen und somit das Ansprechverhalten des Gassensors verlangsamen, da Gas, das in einem Gasstrom enthalten ist, der an dem Gassensor vorbeiströmt, nicht unmittelbar an die Schichtstruktur gelangen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor bereitzustellen, der zumindest einen Nachteil gattungsgemäßer Gassensoren zumindest teilweise behebt.
Als eine Lösung der beschriebenen der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe schlägt die Erfindung einen Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
Der Gassensor gemäß dieser erfindungsgemäßen Lösung weist eine Schichtstruktur auf, die ein Substrat, zumindest zwei Elektroden und eine Abdeckungsschicht umfasst. Als Substrat kann beispielsweise ein Keramiksubstrat oder ein Glassubstrat verwendet werden. Das Substrat weist bevorzugt eine Dicke zwischen 200 µm und 2 mm, insbesondere zwischen 400 µm und 1,5 mm auf. Die Elektroden und insbesondere auch die Abdeckungsschicht, bevorzugt sämtliche mit dem Substrat mittelbar oder unmittelbar verbundenen Schichten der Schichtstruktur, sind mittels Dickschichtverfahren auf das Substrat aufgebracht, wobei das Aufbringen unmittelbar auf dem Substrat oder auf einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht erfolgt sein kann. Das Substrat, die Elektroden und die Abdeckungsschicht erstrecken sich jeweils horizontal flächig und weisen jeweils eine vertikale Dicke auf.
Bevorzugt ist die Dicke über die flächige Erstreckung hinweg konstant. Dabei kann selbstverständlich fertigungsbedingt über die flächige Erstreckung hinweg eine unkontrollierbare, unwesentliche und vernachlässigbare Variation der an sich konstanten Dicke vorliegen. Bevorzugt entspricht die vertikale Dicke der Elektroden und der Abdeckungsschicht jeweils der Dicke der Dickschicht, die zur Realisierung der Elektroden bzw. zur Realisierung der Abdeckungsschicht auf das Substrat aufgetragen wird, wobei allgemein bevorzugt die Elektroden gemeinsam eine solche Schicht der Schichtstruktur ausbilden und insbesondere beide durch ein und dieselbe, im Dickschichtverfahren hergestellte Schicht der Schichtstruktur ausgebildet sind. Die Schichtstruktur umfasst eine gassensitive Schicht, die durch das Substrat oder durch die Abdeckungsschicht ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Abdeckungsschicht identisch mit der gassensitiven Schicht ist oder das Substrat identisch mit der gassensitiven Schicht ist. In einer Ausführungsform umfasst die Schichtstruktur eine erste gassensitive Schicht, die durch das Substrat ausgebildet ist, sowie eine zweite gassensitive Schicht, die durch die Abdeckungsschicht ausgebildet ist. In einer Ausführungsform umfasst die Schichtstruktur nur eine gassensitive Schicht, die entweder von dem Substrat oder von der Abdeckungsschicht ausgebildet ist. Die Elektroden sind voneinander beabstandet und durch die gassensitive Schicht miteinander verbunden. Dabei ist selbstverständlich auf einen horizontalen Abstand abgestellt. Die gassensitive Schicht verbindet die Elektroden dergestalt miteinander, dass ein Stromfluss zwischen den Elektroden zwangsweise die gassensitive Schicht passiert, so dass eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der die Elektroden miteinander verbindenden gassensitiven Schicht oder ein Spannungsaufbau in dieser Schicht durch geeignete Strom- und/oder Spannungsmessung an den Elektroden messbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist als gassensitive Schicht eine gassensitive Keramikschicht vorgesehen, die einen Oberflächenabschnitt des Gassensors bildet, wobei die Elektroden zwischen dem Substrat und der Abdeckungsschicht eingeschlossen sind und hierdurch von dem durch die gassensitive Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitt isoliert sind. Allgemein beträgt bevorzugt die vertikale Dicke der gassensitiven Keramikschicht zwischen 10 µm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 20 µm und 1 mm, insbesondere zwischen 20 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 30 µm und 300 µm. Bei dem erfindungsgemäßen Gassensor sind somit die Elektroden zwischen dem Substrat und der Abdeckungsschicht eingeschlossen, d. h. dass sich die Elektroden vertikal zwischen Abdeckungsschicht und Substrat befinden. Dabei können selbstverständlich auch weitere Schichten zusätzlich zu den Elektroden zwischen dem Substrat und der Abdeckungsschicht vorgesehen sein und insbesondere auch zumindest eine weitere Schicht an einer von den Elektroden abgewandten Seite des Substrats oder einer von den Elektroden abgewandten Seite der Abdeckungsschicht. Dabei sind entweder die Abdeckungsschicht oder das Substrat als die gassensitive Schicht ausgebildet, die als eine gassensitive Keramikschicht ausgebildet ist und einen Oberflächenabschnitt des Gassensors bildet. Besonders bevorzugt ist die Abdeckungsschicht mittels Dickschichtverfahren realisiert, indem sie durch Additiv- oder Subtraktivverfahren auf das Substrat aufgebracht ist, wobei das Aufbringen mittelbar oder unmittelbar auf das Substrat und somit direkt oder über eine Zwischenschicht erfolgen kann. Besonders bevorzugt ist die gassensitive Keramikschicht durch die Abdeckungsschicht ausgebildet, wobei insbesondere darüber hinaus bevorzugt das Substrat als eine weitere gassensitive Keramikschicht der Schichtstruktur ausgebildet ist. Bei einer Ausführungsform, bei der die Abdeckungsschicht die gassensitive Schicht und somit die gassensitive Keramikschicht ausbildet, bildet somit die Abdeckungsschicht den genannten Oberflächenabschnitt des Gassensors aus. Bei einer Ausführungsform, bei der das Substrat die gassensitive Schicht und somit die gassensitive Keramikschicht des Gassensors ausbildet, bildet somit das Substrat den genannten Oberflächenabschnitt des Gassensors aus.
Der Gassensor gemäß der beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung weist wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Durch die Ausbildung der gassensitiven Keramikschicht als gassensitive Schicht und dadurch, dass die gassensitive Keramikschicht selbst einen Oberflächenabschnitt des Gassensors bildet, die gassensitive Keramikschicht durch Substrat oder Abdeckungsschicht ausgebildet ist und die Elektroden zwischen der Abdeckungsschicht und dem Substrat eingeschlossen sind, ist zum einen ein Schutz der Elektroden vor chemisch aggressiven Medien in der Umgebung gewährleistet, und zum anderen ist ein sehr gutes Ansprechverhalten des Gassensors ermöglicht, da die Keramikschicht selbst, deren Veränderung ihrer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der an ihr anliegenden Quantität an Gasen Grundlage für den von dem Gassensor ausgegebenen Sensorwert ist, direkt einen Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbildet. In Abkehr von dem im Stand der Technik bekannten Prinzip, wonach eine Schichtstruktur eines Gassensors stets geschützt in einem Gehäuse anzuordnen ist, geht die Erfindung einen anderen Weg, indem sie die gassensitive Keramikschicht selbst einen Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbilden lässt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass ein Oberflächenabschnitt des Gassensors selbstverständlich ein Oberflächenabschnitt an einer Seite des Gassensors ist, der ein absolutes Ende des Gassensors begrenzt. Die Erfinder haben erkannt, dass durch das Einschließen der Elektroden zwischen Substrat und Abdeckungsschicht und somit dem Isolieren der Elektroden von der Umgebung des Gassensors durch dieses Einschließen ein hinreichender Schutz der Elektroden gewährleistet ist und dass darüber hinaus durch die Einkapselung der Elektroden eine hinreichende Stabilität des Gassensors realisierbar ist. Bevorzugt sind die Elektroden dabei dergestalt zwischen der Abdeckungsschicht und dem Substrat eingeschlossen, dass sie durch dieses Einschließen von der Umgebung vollständig isoliert sind. Beispielsweise können hierzu die Elektroden in die als gassensitive Keramikschicht ausgebildete Abdeckungsschicht eingebettet sein, ohne in direktem Kontakt mit dem Substrat zu stehen, oder die Elektroden können beispielsweise auf das Substrat aufgebracht sein, wobei die Abdeckungsschicht auf Substrat und Elektroden aufgebracht ist, so dass das Substrat die Elektroden an einer Seite verdeckt und an sämtlichen übrigen Seiten der Elektroden die Abdeckungsschicht die Elektroden bedeckt. Selbstverständlich weist die Schichtstruktur darüber hinaus noch Kontaktstellen auf, über die die Elektroden kontaktierbar sind, und diese Kontaktstellen können selbstverständlich außerhalb der Abdeckungsschichtliegen und somit nicht von der Abdeckungsschichtbedeckt sein. Allgemein ist die Abdeckungsschicht bevorzugt als Keramikschicht ausgebildet. Besonders bevorzugt sind sowohl das Substrat als auch die Abdeckungsschicht als Keramikschicht ausgebildet, wobei zumindest eine der von Substrat und Abdeckungsschicht ausgebildeten Keramikschichten als gassensitive Keramikschicht der Schichtstruktur ausgebildet sein kann. Durch die Ausbildung der Abdeckungsschicht und/oder des Substrats als Keramikschicht kann die Stabilität des Gassensors besonders begünstigt sein. Besonders bevorzugt liegt die als Keramikschicht, insbesondere gassensitive Keramikschicht der Schichtstruktur, ausgebildete Abdeckungsschicht unmittelbar an dem Substrat an. In einer Ausführungsform sind die Kontaktstellen in einem Gehäuse des Gassensors angeordnet, wobei ausgehend von den Kontaktstellen Leiterbahnen zu den Elektroden führen, wobei die Elektroden und der genannte, durch die gassensitive Keramikschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Bevorzugt weisen die Elektroden eine horizontale Breite auf, die mindestens das Dreifache, insbesondere mindestens das Fünffache der horizontalen Breite der Leiterbahnen beträgt. Die gassensitive Keramikschicht kann sich selbstverständlich auch über den genannten von ihr ausgebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors hinaus erstrecken und insbesondere auch mit ihrer Oberfläche noch weitere Oberflächenabschnitte des Gassensors ausbilden, wobei sie bevorzugt nur einen flächig zusammenhängenden Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbildet.
In einer Ausführungsform umfasst der Gassensor ein Heizelement, das mittels Dickschichtverfahren auf das Substrat aufgebracht ist. Das Heizelement ist bevorzugt aus einem leitenden Material, insbesondere ein Metall umfassendes Material, insbesondere CuNi (beispielsweise unter dem Markennamen Konstantan bekannt), Metalloxide, Silber oder Palladium, hergestellt. Bevorzugt weist das Heizelement horizontal eine zweidimensionale Struktur nach Art einer Spirale oder nach Art einer Mäanderform auf. Das Heizelement kann mittels Dickschichtverfahren unmittelbar oder mittelbar auf das Substrat aufgebracht sein, allgemein vorteilhaft durch eine Dickschichtpaste ausgebildet sein, so dass das Heizelement unmittelbar auf dem Substrat aufliegen kann oder durch eine weitere Schicht von dem Substrat beabstandet sein kann. Allgemein liegt das Heizelement an einer seiner vertikalen Seiten mit einer größeren Fläche an einer ersten Schicht der Schichtstruktur an als an seiner gegenüberliegenden Seite an einer zweiten Schicht der Schichtstruktur. Hierdurch kann besonders begünstigt sein, dass ein wesentlicher Anteil der von dem Heizelement erzeugten Wärmeenergie in die erste Schicht abgegeben wird. Erste und zweite Schicht sind Schichten der Schichtstruktur, beispielsweise Substrat, Abdeckungsschicht oder eine Schutzschicht. Allgemein ist das Heizelement bevorzugt durch zumindest eine Schicht der Schichtstruktur, insbesondere zumindest durch das Substrat und/oder die Abdeckungsschicht, von den Elektroden isoliert. Allgemein bevorzugt erstreckt sich das Heizelement bezogen auf die Horizontale, in der sich die Elektroden und die gassensitive Schicht jeweils flächig erstrecken, insbesondere mit seiner spiralartigen oder mäanderartigen Form, innerhalb der horizontalen Erstreckung des von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors. Bevorzugt erstrecken sich sowohl die Elektroden als auch das Heizelement in der Horizontalen innerhalb der horizontalen Erstreckung dieses von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts. Bevorzugt überlappen sich die horizontalen Erstreckungen von Elektroden und Heizelement, bevorzugt sind die Elektroden innerhalb der horizontalen Erstreckung des Heizelements angeordnet. In einer Ausführungsform können sich die Elektroden und das Heizelement jeweils oder beide horizontal über den genannten, von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitt hinaus erstrecken.
Besonders bevorzugt ist das Heizelement zwischen einem von einer Schutzschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors und dem Substrat eingeschlossen. Hierdurch ist ein effektiver Schutz des Heizelements gewährleistet, so dass der Gassensor auch in chemisch aggressiven Umgebungen eingesetzt werden kann, ohne dass das Heizelement angegriffen wird. In einer Ausführungsform ist die Schutzschicht durch die Abdeckungsschichtausgebildet, und das Heizelement ist zwischen der Abdeckungsschicht und dem Substrat eingeschlossen. In dieser Ausführungsform ist bevorzugt die Abdeckungsschicht auf das Heizelement aufgebracht. Bevorzugt ist die Abdeckungsschicht als die gassensitive Keramikschicht ausgebildet und sind die Elektroden in der Abdeckungsschicht eingebettet. Allgemein ist bevorzugt das Heizelement zwischen dem Substrat und der Schutzschicht angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Schutzschicht durch eine weitere Keramikschicht ausgebildet. Diese weitere Keramikschicht ist bevorzugt nicht als gassensitive Keramikschicht ausgebildet sondern lediglich als gegenüber dem zu detektierenden Gas inerte Keramikschicht. Besonders bevorzugt ist das Heizelement auf einer von den Elektroden abgewandten Seite des Substrats angeordnet, und somit an einer der vertikalen Seite des Substrats, an der die Elektroden angeordnet sind, vertikal abgewandten Seite. Besonders bevorzugt liegt der von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt an einer ersten vertikalen Seite des Substrats und der von der weiteren Keramikschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt an einer zweiten, von der ersten vertikalen Seite abgewandten Seite des Substrats. Das Substrat ist somit bevorzugt mit Bezug auf die Vertikale zwischen den Elektroden und dem Heizelement angeordnet. Indem an einer ersten vertikalen Seite, beispielsweise der Oberseite des Gassensors, die gassensitive Keramikschicht einen Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbildet und an der vertikal abgewandten Seite, beispielsweise der Unterseite, die Schutzschicht, insbesondere weitere Keramikschicht, einen Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbildet, können sowohl Heizelement als auch Elektroden vor Einflüssen von der Umgebung des Gassensors geschützt sein, und darüber hinaus kann hierdurch eine kompakte Struktur des Gassensors erreicht sein, insbesondere indem das Substrat als elektrischer Isolator zwischen Heizelement und Elektroden angeordnet ist, wobei bevorzugt das Substrat als elektrischer Isolator und als thermischer Leiter ausgebildet ist. Allgemein ist bevorzugt zumindest abschnittsweise ein Freiraum zwischen der Schutzschicht und dem Heizelement vorgesehen. Der Freiraum erstreckt sich zumindest über einen Abschnitt der horizontalen Erstreckung des Heizelements. Durch das Vorsehen des Freiraums kann besonders begünstigt sein, dass das Heizelement mit einer geringeren Fläche an der Schutzschicht anliegt als an seiner der Schutzschicht abgewandten vertikalen Seite, wodurch begünstigt sein kann, dass das Heizelement einen besonders hohen Anteil der von ihm erzeugten Wärmeenergie an dieser, der Schutzschicht vertikal abgewandten Seite abgibt. Beispielsweise kann die Schutzschicht als Al₂O₃ ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Abstandhalterschicht zwischen einer ersten Schicht, auf die das Heizelement aufgebracht ist, und der Schutzschicht vorgesehen sein. Die Abstandhalterschicht kann beispielsweise durch eine Dickschichtpaste realisiert sein, in der nicht komprimierbare Partikel enthalten sind, beispielsweise Glaspartikel oder Keramikpartikel, durch deren Größe der Abstand festgelegt ist.
In einer Ausführungsform ist das Heizelement dergestalt ausgebildet, dass es zum Erreichen eines bestimmungsgemäße Betriebszustands des Gassensors, in dem es die gassensitive Keramikschicht und die Elektroden zur Gewährleistung einer Sensorfunktion des Gassensors beheizt, eine Nennenergieaufnahme von weniger als 3 Watt, insbesondere von weniger als 2 Watt aufweist. In dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand weist die gassensitive Keramikschicht eine für den bestimmungsgemäßen Betriebszustand gewünschte Temperatur auf, die für den Gassensor bevorzugt festgelegt ist, damit der Gassensor bei dem Detektieren von Quantitäten des zu detektierenden Gases eine hinreichende Sensitivität aufweist. Ein Gassensor wird bestimmungsgemäß zur Ermittlung eines Sensorwerts, der die Quantität eines bestimmten Gases wiedergibt, in seinem bestimmungsgemäßen Betriebszustand verwendet. Der Erfindung liegt die besondere Erkenntnis zugrunde, dass durch die gezielte und aufeinander abgestimmte Realisierung von Schichten der Schichtstruktur, insbesondere die Realisierung der Elektroden, des Heizelements, der gassensitiven Keramikschicht und/oder der Schutzschicht, insbesondere weitere Keramikschicht, gezielt ein solcher Aufbau der Schichtstruktur erzeugt werden kann, insbesondere durch die Wahl der Schichtdicken und/oder der horizontalen Erstreckung und/oder der Form des Heizelements, dass wegen der aufgrund der Anwendung des Dickschichtverfahrens geringen aufzuwärmenden Masse und der Ausgestaltung des Heizelements mittels Dickschichtverfahren das Heizelement so konstruiert und relativ zu den Elektroden angeordnet werden kann, dass es bei einer sehr geringen Nennleistung von weniger als 3 Watt, insbesondere weniger als 2 Watt, zum Erreichen des bestimmungsgemäßen Betriebszustands verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform ist das Substrat nach Art einer Platte ausgebildet, deren flächige Erstreckung sich horizontal erstreckt und durch vier Plattenseiten begrenzt ist und die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Bevorzugt ist die Abdeckungsschicht an einer Oberseite der Platte angeordnet, wobei der genannte, von der gassensitiven Keramikschicht gebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors eine geschlossene flächige horizontale Erstreckung aufweist. Besonders bevorzugt überlappt die Abdeckungsschicht mit ihrer Oberseite flächig geschlossen horizontal mit dem flächig geschlossenen Oberflächenabschnitt der gassensitiven Keramikschicht oder bildet diesen aus. Besonders bevorzugt ist die gesamte Schichtstruktur nach Art einer Platte ausgebildet. Allgemein ist bei einer Bezugnahme auf eine Form nach Art einer Platte vorliegend bevorzugt auf die Form einer rechteckartigen Platte abgestellt, wobei die rechteckartige Platte in einer Ausführungsform mit rechtwinkligen Ecken ausgebildet ist, in einer anderen Ausführungsform abgerundete Ecken aufweist. Durch die Ausgestaltung des Substrats nach Art einer Platte kann die Realisierung des Gassensors mittels Dickschichtverfahren besonders vereinfacht sein, wozu die Ausgestaltung der Platte mit einer rechteckartigen Form beitragen kann. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Abdeckungsschicht ausgehend von weniger als 3 mm, insbesondere weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 500 µm, beabstandet von einer der ersten Plattenseiten aus zu einer dieser ersten Plattenseite gegenüberliegenden zweiten Plattenseite hin. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Abdeckungsschicht ausgehend von unmittelbar der ersten Plattenseite aus. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Abdeckungsschicht bis zu einem Abstand von weniger als 3 mm, insbesondere von weniger als 2 mm von der zweiten Plattenseite. Besonders bevorzugt sind die Elektroden um weniger als 5 mm von der ersten Plattenseite beabstandet, bevorzugt um weniger als 3 mm, bevorzugt weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm. Indem die Abdeckungsschicht und insbesondere auch die Elektroden sehr nahe an zumindest der ersten Plattenseite angeordnet sind, kann der Gassensor mit seiner gassensitiven Keramikschicht und insbesondere den Elektroden auf sehr einfache Weise direkt in einem Gasstrom angeordnet werden, um bestimmungsgemäß zur Ermittlung eines Sensorwerts zur Quantifizierung eines bestimmten Gases verwendet zu werden während der Aufbau der Schichtstruktur selbst für einen hinreichenden Schutz der Schichtstrukturen sorgt. Durch die besondere Ausgestaltung genügt es dabei, dass die Schichtstruktur mit einer sehr kleinen horizontalen Erstreckung in den Gasstrom hineinragt.
Allgemein ist bevorzugt zumindest eine Schicht, insbesondere mehrere Schichten der Schichtstruktur horizontal innerhalb eines von der Abdeckungsschicht gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors und vertikal zwischen dem Substrat und diesem Oberflächenabschnitt angeordnet. Bevorzugt ist die Abdeckungsschicht als die gassensitive Keramikschicht ausgebildet, so dass der von der Abdeckungsschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors der genannte, von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors ist. Besonders bevorzugt sind zumindest die Elektroden durch diese zumindest eine Schicht ausgebildet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Schicht der Schichtstruktur bevorzugt eine unmittelbar oder mittelbar auf das Substrat mittels Dickschichtverfahren aufgebrachte Schicht ist, wobei bevorzugt die Elektroden mittels Dickschichtverfahren erzeugt werden und somit eine Schicht der Schichtstruktur ausbilden. Besonders bevorzugt weist die Schichtstruktur zusätzlich zu den Elektroden und der Abdeckungsschicht, bevorzugt auch zusätzlich zu der Schutzschicht und insbesondere auch zusätzlich zu dem Heizelement, zumindest eine weitere Schicht auf, die horizontal innerhalb des von der als gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Abdeckungsschicht gebildeten Oberflächenabschnitts und vertikal an der der gassensitiven Keramikschicht abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist, so dass das Substrat vertikal zwischen der weiteren Schicht und der gassensitiven Keramikschicht angeordnet ist. Allgemein ist bevorzugt die zumindest eine Schicht zumindest in einem horizontalen Abschnitt des Gassensors durch Substrat und Abdeckungsschicht vollständig von einer Umgebung des Gassensors isoliert. Dies bedeutet, dass bevorzugt diese Schicht von außerhalb des Gassensors aus nicht zugänglich ist, da Substrat und Abdeckungsschicht jeglichen Zugang zur Schicht verhindern.
Besonders bevorzugt weist die Schichtstruktur innerhalb der horizontalen Erstreckung des von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors eine Dicke von mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 3 mm auf. Gleichzeitig weist die Schichtstruktur innerhalb der horizontalen Erstreckung des von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts bevorzugt eine Dicke von weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 7 mm auf. Bevorzugt ist die Dicke der Schichtstruktur über die horizontale Erstreckung des von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors hinweg konstant. Bevorzugt weist die Schichtstruktur zusätzlich zu dem Substrat zumindest drei, insbesondere zumindest vier, insbesondere zumindest fünf Schichten auf, die sich bevorzugt horizontal innerhalb des genannten von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors, insbesondere auch darüber hinaus, erstrecken. Durch das Vorsehen einer Mindestdicke der Schichtstruktur und/oder einer Vielzahl an Schichten kann eine hinreichende Stabilität der Schichtstruktur gewährleistet sein, durch die die Schichtstruktur und somit der Gassensor eine hinreichende Robustheit bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz, beispielsweise bei der Verwendung als durch ein Servicepersonal einzusetzendes Ersatzteil, aufweisen.
In einer Ausführungsform weist der Gassensor einen horizontalen Sensorabschnitt auf, in dem die Elektroden angeordnet sind. In einer Ausführungsform sind die Elektroden vollständig innerhalb des horizontalen Sensorabschnitts angeordnet, in einer Ausführungsform erstreckt sich zumindest eine der Elektroden horizontal abschnittsweise über den horizontalen Sensorabschnitt hinaus. Über den Sensorabschnitt hinweg bildet der von der gassensitiven Keramikschicht gebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors zumindest Abschnitte einer vertikalen Oberseite und/oder Abschnitte einer vertikalen Unterseite des Gassensors aus. Der horizontale Sensorabschnitt ist somit dadurch definiert, dass er an einer vertikalen Seite des Gassensors zumindest Abschnitte dieser Seite des Gassensors ausbildet. Indem die gassensitive Keramikschicht an einer vertikalen Ober- und/oder Unterseite zumindest Abschnitte des Gassensors ausbildet, kann die Sensitivität des Gassensors besonders vorteilhaft sein, da sich zu detektierende Gase unmittelbar an der gassensitiven Keramikschicht anlagern können, sobald der Gassensor mit dem Sensorabschnitt in einem Gasstrom angeordnet wird. Der Sensorabschnitt kann sich flächig geschlossen ununterbrochen erstrecken oder voneinander horizontal getrennte Sensorunterabschnitte aufweisen. In jedem Fall bildet die gassensitive Keramikschicht über die gesamte horizontale flächige Erstreckung des Sensorabschnitts hinweg einen Oberflächenabschnitt an Ober- und/oder Unterseite des Gassensors. Besonders bevorzugt weist der Sensorabschnitt eine horizontale flächige Erstreckung von mindestens 10 mm², insbesondere mindestens 20 mm², insbesondere mindestens 50 mm² auf. Durch das Vorsehen einer Mindestgröße des Sensorabschnitts kann die Sensitivität des Gassensors besonders begünstigt sein.
In einer Ausführungsform umfasst der Gassensor ein Gehäuse, in dem elektrische Zuleitungen angeordnet sind, die an die Elektroden der Schichtstruktur angeschlossen sind. Die Schichtstruktur erstreckt sich zumindest über den horizontalen Sensorabschnitt des Gassensors hinweg horizontal außerhalb des Gehäuses. Bevorzugt erstreckt sich der Sensorabschnitt über eine horizontale Vorstehlänge, d. h. eine Vorstehlänge in einer bestimmten horizontalen Richtung, von mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 7 mm über das Gehäuse hinaus. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Sensorabschnitt mit seiner flächigen Erstreckung von mindestens 10 mm², insbesondere mindestens 20 mm², insbesondere mindestens 50 mm² horizontal über das Gehäuse hinaus. Besonders bevorzugt beträgt die vertikale Dicke der Schichtstruktur über den Bereich des Sensorabschnitts hinweg, mit dem sich der Sensorabschnitt horizontal über das Gehäuse hinaus erstreckt, mindestens ein Zehntel, insbesondere mindestens ein Fünftel der Vorstehlänge. Durch das Vorsehen eines entsprechenden Verhältnisses von horizontaler Vorstehlänge und vertikaler Dicke der Schichtstruktur kann gleichzeitig eine besonders günstige Sensitivität des Sensors und eine hinreichende Robustheit des Sensors gewährleistet sein.
In einer Ausführungsform weist der Gassensor eine Haube auf, die sich vertikal versetzt zu der gassensitiven Keramikschicht erstreckt. Die Haube kann beispielsweise als Gitter ausgebildet sein, so dass sie horizontal die gassensitive Keramikschicht, betrachtet in einer vertikalen Aufsicht, teilweise bedeckt und teilweise freilässt.
Bevorzugt ist die Haube von der gassensitiven Keramikschicht beabstandet. Besonders bevorzugt umgibt die Haube einen horizontalen Abschnitt der Schichtstruktur, in dem sich bevorzugt der Sensorabschnitt der Schichtstruktur befindet, insbesondere vollständig befindet, umlaufend, bevorzugt mit Bezug auf zwei zueinander senkrecht verlaufende Richtungen jeweils umlaufend. Bevorzugt bedeckt die Haube erste Abschnitte eines von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts horizontal unter Ausbildung eines durch die Haube gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors, wobei von der Haube unbedeckte zweite Abschnitte des von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts einen durch die gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors ausbilden. Bevorzugt umfassen diese zweiten Abschnitte den Sensorabschnitt. Bevorzugt bilden die zweiten Abschnitte gemeinsam den Sensorabschnitt des Gassensors aus. Allgemein weist die Haube, d. h. bevorzugt.das Gitter, ein Material auf oder ist vollständig aus einem Material hergestellt, das dazu geeignet ist, bestimmte, von dem Gassensor nicht zu messende Gase an sich zu binden oder umzuwandeln, beispielsweise zu adsorbieren oder zu absorbieren. Bevorzugt weist die Haube bzw. das Gitter eine Oberfläche auf, die durch eine selektiv gewählte Beschichtung realisiert ist, mit der das eigentliche Trägermaterial der Haube bzw. des Gitters beschichtet ist. Beispielsweise kann die Beschichtung bzw. das genannte Material zur Bindung von Sauerstoffmolekülen geeignet sein. Durch das Vorsehen eines entsprechenden Materials bzw. einer entsprechenden Beschichtung kann die Querempfindlichkeit des Gassensors betreffend nicht zu messende Gase reduziert sein.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gassensors. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird zur Ermittlung eines Sensorwerts, der zur Quantifizierung eines zu detektierenden Gases geeignet ist, eine Spannung und/oder ein Strom zwischen den Elektroden gemessen, wobei während der Messung der Spannung und/oder des Stroms der Gassensor mit zumindest einem horizontalen Detektionsabschnitt seiner gassensitiven Keramikschicht, in dem die Elektroden angeordnet sind, bevorzugt vollständig angeordnet sind, unmittelbar in einer Strömung eines Gasflusses angeordnet wird. Besonders bevorzugt überlappen sich der beschriebene Sensorabschnitt des Gassensors und der Detektionsabschnitt der gassensitiven Keramikschicht horizontal, besonders bevorzugt liegt die horizontale Erstreckung des Sensorabschnitts vollständig innerhalb der horizontalen Erstreckung des Detektionsabschnitts. Indem bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Detektionsabschnitt der gassensitiven Keramikschicht unmittelbar in einer Strömung eines Gasflusses angeordnet wird, d. h. ohne dass die gassensitive Keramikschicht durch ein weiteres Element des Gassensors gegenüber dem Gasfluss abgeschirmt ist, können mit sehr gutem Ansprechverhalten aus dem Gassensor Sensorwerte ausgelesen werden, die in direktem Zusammenhang mit der Quantität des zu detektierenden Gases stehen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf drei Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1: in einer schematischen Prinzipdarstellung den funktionalen Aufbau der Schichtstruktur einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
2: in einer schematischen Prinzipdarstellung eine funktionale Darstellung der Querschnittsansicht der Schichtstruktur gemäß 1;
3: in einer schematischen Prinzipdarstellung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors mit der Schichtstruktur gemäß 1.

In 1 ist zur Erläuterung des funktionalen Aufbaus der Schichtstruktur 10 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors 100 diese Schichtstruktur 10 in einer perspektivischen Darstellung sehr schematisch dargestellt. Die Schichtstruktur 10 umfasst ein Substrat 1, auf dessen vertikaler Unterseite ein mäanderformartiges Heizelement 5 aufgebracht ist und auf dessen vertikaler Oberseite zwei Elektroden 41, 42 aufgebracht sind. Vertikal auf die Oberseite von Substrat 1 und Elektroden 41, 42 ist eine Abdeckungsschicht 2 aufgebracht, vertikal unter dem Substrat 1 ist auf das Substrat 1 und das Heizelement 5 eine weitere Keramikschicht 3 aufgebracht. Bei der beschriebenen Ausführungsform bildet die Abdeckungsschicht 2 die gassensitive Keramikschicht des Gassensors 100 aus und ist mit dieser identisch. In 2 ist die Schichtstruktur 10 gemäß 1 in einer sehr schematischen Querschnittsansicht dargestellt, wobei durch die horizontal äußersten Verläufe der mäanderformartigen Struktur des Heizelements 5 geschnitten ist. 2 ist somit ein Schnitt senkrecht zu einer bestimmten horizontalen Richtung.
Aus der Zusammenschau von 1 und 2 ist ersichtlich, dass das Substrat 1 und auch die gesamte Schichtstruktur 10 eine Form nach Art einer Platte aufweisen. Elektroden 41, 42 und Heizelement 5 sind auf zwei voneinander abgewandten vertikalen Seiten des Substrats 1 aufgebracht und somit durch das Substrat 1 voneinander isoliert. Die Elektroden 41, 42 sind über in 1 dargestellte Leiterbahnen mit einem horizontalen Ende der Schichtstruktur 10 verbunden, ebenso ist das Heizelement 5 mit seinen Anschlüssen mit dem horizontalen Ende der Schichtstruktur 10 verbunden, so dass sowohl die Elektroden 41, 42 als auch das Heizelement 5 von diesem Ende aus an Kontaktstellen kontaktierbar sind. Während das Substrat 1 nach Art einer rechteckigen Platte ausgebildet ist, deren flächige Erstreckung sich horizontal erstreckt und durch vier Plattenseiten begrenzt ist, erstreckt sich die Abdeckungsschicht 2 von einer ersten der Plattenseiten aus zu einer zweiten der Plattenseiten die der ersten Plattenseite in der bestimmten horizontalen Richtung gegenüberliegt, ununterbrochen, während die Elektroden 41, 42 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um 1 mm von dieser ersten Plattenseite in der bestimmten horizontalen Richtung horizontal beabstandet sind und die Kontaktanschlüsse der Elektroden 41, 42 und das Heizelement 5 an der zweiten Plattenseite des Substrats 1 liegen. Aus der Zusammenschau von 1 und 2 ist ferner ersichtlich, dass sich die Elektroden 41, 42 und das Heizelement 5 horizontal überlappen. Hierdurch sowie durch die mäanderformartige Ausgestaltung des Heizelements 5 und durch die nahe Anordnung von Elektroden 41, 42, gassensitiver Keramikschicht 2, d. h. vorliegend Abdeckungsschicht 2, und Heizelement 5 aneinander ist sichergestellt, dass die vorliegend beschriebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors 100 in ihrem bestimmungsgemäßen Betriebszustand verwendet werden kann zur Ausgabe eines Sensorwerts zur Quantifizierung eines Gases, während das Heizelement 5 mit einer Nennleistung von 1 Watt betrieben wird. Dadurch, dass, wie aus der Zusammenschau der 1 und 2 ersichtlich, sowohl die Elektroden 41, 42 als auch das Heizelement 5 in einem horizontalen Abschnitt der Schichtstruktur 10 vollständig von der Umgebung isoliert sind, indem die Elektroden 41, 42 zwischen einem von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors 100 und dem Substrat 1 eingeschlossen sind und das Heizelement 5 zwischen der weiteren Keramikschicht 3 und dem Substrat 1 eingeschlossen ist, eignet sich die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 100 besonders bevorzugt zum Einsatz in die chemisch anspruchsvollen Umgebungen.
In 3 ist die beschriebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors 100 in einer schematischen Prinzipdarstellung funktional dargestellt. Der Gassensor 100 weist ein Gehäuse 20, die Schichtstruktur 10 und eine gitterförmige Haube 30 auf. In dem Gehäuse 20 ist die Schichtstruktur 10 gehalten, und in dem Gehäuse 20 sind elektrische Zuleitungen angeschlossen, die an die Kontaktstellen der Elektroden 41, 42 und des Heizelements 5 angeschlossen sind. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Gassensor 100 an seinem in 3 nicht sichtbaren horizontalen Ende einen Anschluss auf, über den zum einen das Heizelement 5 und die Elektroden 41, 42 versorgt werden können und zum anderen ein zwischen Elektroden 41, 42 fließender Strom und/oder eine zwischen den Elektroden 41, 42 anliegende Spannung ausgelesen werden können. Die Schichtstruktur 10 steht in der bestimmten horizontalen Richtung über eine Vorstehlänge über das Gehäuse 20 vor. Durch das Vorsehen der gitterförmigen Haube 30 ist die Schichtstruktur 10 nur teilweise durch die gitterförmige Haube 30 bedeckt, während die gitterförmige Haube 30 die Schichtstruktur 10 in ihrem Abschnitt, mit dem sie über das Gehäuse 20 horizontal vorsteht, umlaufend umgibt, und zwar umlaufend um sämtliche drei Raumrichtungen. Die Haube 30 bedeckt somit erste Abschnitte eines von der als die gassensitive Keramikschicht ausgebildeten Abdeckungsschicht 2 ausgebildeten Oberflächenabschnitts horizontal und lässt zweite Abschnitte des von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts unbedeckt, so dass die zweiten Abschnitte des von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts einen durch die gassensitive Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors 100 ausbilden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bilden diese zweiten Abschnitte des Oberflächenabschnitts der gassensitiven Keramikschicht den oben erläuterten horizontalen Sensorabschnitt des Gassensors 100, innerhalb dessen sich die Elektroden 41, 42 erstrecken. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Elektroden 41, 42 selbstverständlich auch über diesen Sensorabschnitt hinaus, da sich die Elektroden 41, 42 auch in solchen horizontalen Bereichen erstrecken, in denen die gitterförmige Haube 30 die ersten Abschnitte des von der Keramikschicht 2 ausgebildeten Oberflächenabschnitts bedeckt. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Haube 30 aus einem Metall hergestellt und gewährleistet selektiv die Adsorption von O₂, nicht aber von CO, was erfindungsgemäß zur Realisierung eines CO-Sensors als Gassensors allgemein vorteilhaft ist. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Sensorabschnitt über eine Vorstehlänge von 10 mm über das Gehäuse 20 horizontal hinaus, wie in 3 dargestellt, wobei über diese Vorstehlänge des Sensorabschnitts hinweg die Schichtstruktur 10 durchgehend eine Dicke von 2,7 mm aufweist. Dadurch ist der Gassensor 100 hinreichend robust aufgebaut, um auch für einen bestimmungsgemäßen Einsatz geeignet zu sein, bei dem er durch Servicepersonal als Austauschteil eingesetzt wird, wobei darüber hinaus durch das Vorsehen des Sensorabschnitts, in dem die gassensitive Keramikschicht einen von der Haube 30 unbedeckten Oberflächenabschnitt der Oberseite des Gassensors 100 ausbildet, eine hinreichende Sensitivität und ein sehr gutes Ansprechverhalten aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Abdeckungsschicht
3: weitere Keramikschicht
5: Heizelement
10: Schichtstruktur
20: Gehäuse
30: Haube
41: Elektrode
42: Elektrode
100: Gassensor

Claims

Gassensor (100) mit einer Schichtstruktur (10), die ein Substrat (1), zumindest zwei Elektroden (41, 42) und eine Abdeckungsschicht (2) umfasst, wobei zumindest die Elektroden (41, 42) mittels Dickschichtverfahren auf das Substrat (1) aufgebracht sind und sich das Substrat (1), die Elektroden (41, 42) und die Abdeckungsschicht (2) jeweils horizontal flächig erstrecken und jeweils eine vertikale Dicke aufweisen, wobei die Schichtstruktur eine gassensitive Schicht umfasst, die durch das Substrat (1) oder die Abdeckungsschicht (2) ausgebildet ist, wobei die Elektroden (41, 42) voneinander beabstandet und durch die gassensitive Schicht miteinander verbunden sind, wobei der Gassensor (100) ein Heizelement (5) umfasst, das mittels Dickschichtverfahren auf das Substrat (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Schicht als eine gassensitive Keramikschicht ausgebildet ist, die einen Oberflächenabschnitt des Gassensors (100) bildet, wobei die Elektroden (41, 42) zwischen dem Substrat (1) und der Abdeckungsschicht (2) eingeschlossen sind und hierdurch von dem durch die gassensitive Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitt isoliert sind, wobei insbesondere die vertikale Dicke der gassensitiven Keramikschicht zwischen 10 µm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 20 µm und 500 µm beträgt.
Gassensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) zwischen einem von einer Schutzschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitt und dem Substrat (1) eingeschlossen ist, wobei insbesondere zumindest abschnittsweise ein Freiraum zwischen der Schutzschicht und dem Heizelement (5) vorgesehen ist.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Heizelement (5) und die Elektroden (41, 42) horizontal überlappen.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) dergestalt ausgebildet ist, dass es zum Erreichen eines bestimmungsgemäßen Betriebszustands des Gassensors (100), in dem es die gassensitive Keramikschicht und die Elektroden (41, 42) zur Gewährleistung einer Sensorfunktion des Gassensors (100) beheizt, eine Nennenergieaufnahme von weniger als 3 Watt, insbesondere weniger als 2 Watt aufweist.
Gassensor (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch die Abdeckungsschicht (2) ausgebildet ist, wobei das Heizelement (5) zwischen dem Substrat (1) und der Schutzschicht angeordnet ist, oder dass die Schutzschicht durch eine weitere Keramikschicht (3) ausgebildet ist, wobei das Heizelement (5) auf einer von den Elektroden (41, 42) abgewandten Seite des Substrats (1) angeordnet ist und der von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildete Oberflächenabschnitt an einer ersten vertikalen Seite des Substrats (1) liegt und der von der weiteren Keramikschicht (3) ausgebildete Oberflächenabschnitt an einer zweiten, von der ersten vertikalen Seite abgewandten Seite des Substrats (1) liegt.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) nach Art einer Platte ausgebildet ist, deren flächige Erstreckung sich horizontal erstreckt und durch vier Plattenseiten begrenzt ist und die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Abdeckungsschicht (2) an einer Oberseite der Platte angeordnet ist und der von der gassensitiven Keramikschicht gebildete Oberflächenabschnitt eine geschlossene flächige horizontale Erstreckung aufweist, wobei insbesondere die gesamte Schichtstruktur (10) nach Art einer Platte ausgebildet ist, insbesondere rechteckig ausgebildet ist.
Gassensor (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abdeckungsschicht (2) ausgehend von weniger als 3 mm beabstandet von einer ersten der Plattenseiten aus zu einer dieser ersten Plattenseite gegenüberliegenden zweiten Plattenseite hin erstreckt, wobei insbesondere die Elektroden (41, 42) um weniger als 5 mm von der ersten Plattenseite beabstandet sind.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht, insbesondere mehrere Schichten, horizontal innerhalb eines von der Abdeckungsschicht (2) gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors (100) und vertikal zwischen dem Substrat (1) und diesem Oberflächenabschnitt angeordnet ist, wobei insbesondere die Elektroden (41, 42) durch diese zumindest eine Schicht ausgebildet sind.
Gassensor (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schicht zumindest in einem horizontalen Abschnitt des Gassensors (100) durch Substrat (1) und Abdeckungsschicht (2) vollständig von einer Umgebung des Gassensors (100) isoliert ist.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur innerhalb der horizontalen Erstreckung des von der gassensitiven Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors eine Dicke von mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 2 mm, und insbesondere von weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 7 mm aufweist.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) einen horizontalen Sensorabschnitt aufweist, in dem die Elektroden (41, 42) angeordnet sind, wobei über diesen Sensorabschnitt hinweg der von der gassensitiven Keramikschicht gebildete Oberflächenabschnitt des Gassensors zumindest Abschnitte einer vertikalen Oberseite und/oder Abschnitte einer vertikalen Unterseite des Gassensors (100) ausbildet, wobei insbesondere der Sensorabschnitt eine horizontale flächige Erstreckung von mindestens 10 mm², insbesondere mindestens 20 mm², insbesondere mindestens 50 mm² aufweist.
Gassensor (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) ein Gehäuse (20) umfasst, in dem elektrische Zuleitungen angeordnet sind, die an die Elektroden (41, 42) der Schichtstruktur (10) angeschlossen sind, wobei sich die Schichtstruktur (10) zumindest über den horizontalen Sensorabschnitt des Gassensors (100) hinweg horizontal außerhalb des Gehäuses (20) erstreckt, wobei sich der Sensorabschnitt insbesondere über eine Vorstehlänge von mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 7 mm, horizontal über das Gehäuse (20) hinaus erstreckt, wobei insbesondere eine vertikale Dicke der Schichtstruktur (10) über den Bereich des Sensorabschnitts hinweg, mit dem der Sensorabschnitt sich über das Gehäuse (20) hinaus erstreckt, mindestens ein Zehntel der Vorstehlänge beträgt.
Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) eine insbesondere als Gitter ausgebildete Haube (30) aufweist, die sich vertikal versetzt zu der gassensitiven Keramikschicht erstreckt und insbesondere einen horizontalen Abschnitt der Schichtstruktur (10) in dem Sensorabschnitt umlaufend umgibt, wobei die Haube (30) erste Abschnitte des von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts horizontal bedeckt unter Ausbildung eines durch sie gebildeten Oberflächenabschnitts des Gassensors (100), wobei von der Haube (30) unbedeckte zweite Abschnitte des von der gassensitiven Keramikschicht ausgebildeten Oberflächenabschnitts einen durch die gassensitive Keramikschicht gebildeten Oberflächenabschnitt des Gassensors (100) ausbilden.
Verwendung eines Gassensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Sensorwerts eine Spannung und/oder ein Strom zwischen den Elektroden (41, 42) gemessen wird, wobei während der Messung der Gassensor (100) mit zumindest einem horizontalen Detektionsabschnitt seiner gassensitiven Keramikschicht, in dem die Elektroden (41, 42) angeordnet sind, unmittelbar in einer Strömung eines Gasflusses angeordnet wird.