DE112008002874T5

DE112008002874T5 - Mehrschichtgassensor mit zwei Heizzonen

Info

Publication number: DE112008002874T5
Application number: DE112008002874T
Authority: DE
Inventors: Balakrishnan G. Sandy Nair; Jesse A. Prescott Nachlas
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-12-09
Also published as: US7887685B2; WO2009058281A3; CN101842699A; US20080210576A1; WO2009058281A2

Abstract

Gassensor (10) mit:
mehreren Substratelementen (30, 40, 70, 80),
einer ersten Messelektrode (32),
einer zweiten Messelektrode (82),
einem ersten Heizelement (52), das der ersten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer ersten Seite eines der mehreren Substratelemente (50) angeordnet ist, und
einem zweiten Heizelement (54), das der zweiten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des einen der mehreren Substratelemente angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Sensor, und insbesondere einen Mehrschichtgassensor mit zwei Heizzonen.
Hintergrund
Bei der Zusammensetzung von Abgasen, die durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffkraftstoffen erzeugt werden, handelt es sich um ein komplexes Gemisch aus Oxidgasen (NOX, SO_X, CO₂, CO, H₂O), unverbrannten Kohlenwasserstoffgasen und Sauerstoff. Eine Messung der Konzentration dieser einzelnen Abgasbestandteile in Echtzeit kann zu einem verbesserten Verbrennungswirkungsgrad und geringeren Emissionen umweltschädlicher Gase führen. In einigen Fällen kann die Konzentration eines Gases die Konzentration eines zweiten Gases beeinflussen oder steuern. In diesen Situationen kann es erforderlich sein, die Konzentration des ersten Gases zu kennen, um die Konzentration eines zweiten oder sogar eines dritten Gases genau messen zu können. Es sind verschiedene Vorrichtungen für eine Verwendung als Abgassensoren vorgeschlagen worden, die dazu in der Lage sind, die Gaskonzentration von zwei oder mehr Gasen in einem Abgasstrom zu messen.
Ein bekannter Gassensor ist als ein flaches Mehrschichtkeramikgehäuse ausgebildet, das so aufgebaut ist, dass es zwei oder mehr Kammern enthält. Die erste Kammer weist Elektroden auf, die zum Ausbilden einer Sauerstoffpumpe zum Entfernen von Sauerstoff aus einem in den Sensor eintretenden Gasstrom an einer sauerstoffionenleitenden Elektrolytmembran angebracht sind. Die erste Kammer katalysiert ferner die Zersetzung von NO₂ zu NO und einem halben O₂. Die Sauerstoffpumpe in der ersten Kammer entfernt ferner den durch diesen Prozess gebildeten Sauerstoff. Somit ist theoretisch das einzige Gas, das Sauerstoff enthält und in die zweite Kammer eintritt, NO. Die zweite Kammer enthält ein Element, das NO zersetzt und unter Verwendung einer zweiten Sauerstoffpumpe den Sauerstoff aus dem NO entfernt. Der durch den Transport von Sauerstoff aus der Zersetzung von NO in der zweiten Kammer erzeugte elektrische Strom steht in Zusammenhang mit der NO-Konzentration in dem Abgasstrom.
Mit einer gewerblichen Anwendung dieses bekannten Gassensors sind verschiedene Probleme verbunden. Beispielsweise kann, wenn die NO_X-Konzentration in dem Abgasstrom niedrig ist, Restsauerstoff eine erhebliche Störung bewirken. Zusätzlich dazu ist der von dem Sensor erzeugte Signalstrom sehr klein, weshalb er für eine Störung aufgrund des für gewöhnlich in einem Automobil auftretenden elektrischen Rauschens anfällig ist. Ferner weist der von solchen Sensoren überwachte Abgasstrom normalerweise Schwankungen in Bezug auf die Durchströmungsrate auf, die zumindest teilweise durch Zündungen der Motorzylinder bewirkt werden. Diese Schwankungen beeinträchtigen die Fähigkeit der Sauerstoffpumpe, den gesamten freien Sauerstoff effektiv zu entfernen, und können zu einem Messfehler führen. Der Gassensor kann ferner eine kleine Diffusionsöffnung enthalten, die zum Begrenzen des Gaseintritts in die Messkammern verwendet wird. Es hat sich gezeigt, dass sich diese kleine Diffusionsöffnung während der Verwendung zusetzt.
Ein anderer bekannter Gassensor benutzt einen ähnlichen flachen Mehrschichtkeramikgehäuseaufbau, ist jedoch ein Mischpotentialsensor und kein amperometrischer Sensor, und die erste Kammer wird zum Umwandeln von NO zu NO₂ und umgekehrt verwendet. Es ist wohlbekannt, dass bei Mischpotential-NO_X-Sensoren die von den Gasarten NO und NO₂ erzeugten Spannungssignale ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen. Demzufolge ist es schwierig, ein sinnvolles Spannungssignal aufzunehmen, wenn beide Gase vorhanden sind, da eine Auslöschung auftreten kann.
Einige Sensorentwicklungen haben versucht, dieses Problem unter Verwendung eines flachen Mehrschichtgehäuseaufbaus mit zwei separaten, in dem Sensor ausgebildeten Kammern zu begegnen. Es wurde ebenfalls versucht, unter Verwendung einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe, die in dem Bemühen, das gesamte Gas zu NO₂ umzuwandeln, Sauerstoff in die erste Kammer pumpt, alle Arten von NO_X-Gasen zu einer einzigen Art umzuwandeln. Andere Bemühungen zielen wiederum darauf ab, Sauerstoff aus der Kammer zu entfernen und das gesamte NO₂ zu NO zu reduzieren. Dieses „konditionierte” Gas tritt dann in die zweite Kammer ein, in der die NO_X-Konzentration anhand des Spannungssignals gemessen wird, das von einem Mischpotentialsensor erzeugt wird.
Es gibt eine Vielzahl von Beschränkungen bei diesem Ansatz, die die gewerbliche Anwendung dieser Konfiguration beeinträchtigen. Ein erhebliches Problem ist die Reproduzierbarkeit des Umwandlungssystems zum vollständigen Umwandeln aller NO_X-Gase zu einer einzigen Gasart unter verschiedenen Gaskonzentrationsbedingungen. Zusätzlich neigt die Sauerstoffpumpenumwandlungszelle dazu, sich im Laufe der Zeit zu verschlechtern, was zusätzlich zu dem Problem der Reproduzierbarkeit beiträgt. Da sich diese Probleme in dem Bereich niedriger Konzentration stärker auswirken, ist dieses Messverfahren nicht gut zum Detektieren von niedrigen Konzentrationen von NO_X-Gasen geeignet.
Zusätzliche Nachteile, die mit beiden vorher erörterten Sensoreinrichtungen verbunden sind, sind auf den zugrundeliegenden Aufbau des flachen Mehrschichtkeramiksystems zurückzuführen. Ansprechzeiten neigen dazu, aufgrund der Komplexität der Vorrichtung, die erfordert, dass Gas zuerst durch eine Diffusionsöffnung eintritt, in einer ersten Kammer konditioniert wird und dann in eine zweite Kammer diffundiert, langsam zu sein. Bei diesen Konfigurationen ist es schwierig, einen raschen Gasaustausch zu erzielen, der mit der dynamischen Umgebung eines Abgases eines Motors Schritt halten kann.
Ferner können die korrodierende Eigenschaft des Gases selbst und die Tatsache, dass es feine Partikel mit sich führt, zu einer Verstopfung der Diffusionssteueröffnung oder zumindest zu Änderungen der Gasströmungsdynamik mit der Zeit führen. Schließlich gestalten Schwankungen der Gasströmungsraten aufgrund von Zündungen der Zylinder und des für Automobile typischen elektrischen Rauschens die Steuerung und Überwachung der diesen Vorrichtungen zugeordneten Schaltungen mit niedrigen Spannungen und Strömen schwierig.
Der offenbarte Gassensor zielt darauf ab, eines oder mehrere der vorher dargelegten Probleme zu lösen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen Gassensor. Der Gassensor kann mehrere Substratelemente, eine erste Messelektrode und eine zweite Messelektrode enthalten. Der Gassensor kann ferner ein erstes Heizelement, das der ersten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer ersten Seite eines der mehreren Substratelemente angeordnet ist, und ein zweites Heizelement enthalten, das der zweiten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des einen der mehreren Substratelemente angeordnet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen anderen Gassensor. Dieser Gassensor kann ein Substratelement mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, eine erste Messelektrode und eine zweite Messelektrode enthalten. Der Gassensor kann ferner lediglich ein einziges Heizelement, das der ersten Messelektrode zugeordnet ist und mit der ersten Fläche gebondet ist, und lediglich ein einziges Heizelement enthalten, das der zweiten Messelektrode zugeordnet ist und mit der zweiten Fläche gebondet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Messen der Konzentration von Bestandteilen eines Abgasstroms. Das Verfahren kann das Erzeugen einer ersten Heizzone und das Messen eines ersten Parameters in der ersten Heizzone beinhalten. Der erste Parameter kann eine Konzentration eines ersten Bestandteils des Abgasstroms angeben. Das Verfahren kann ferner das Erzeugen einer zweiten Heizzone, die von der ersten Heizzone durch eine isolierende Grenzschicht getrennt ist, und das Messen eines zweiten Parameters in der zweiten Heizzone beinhalten. Der zweite Parameter kann eine Konzentration eines zweiten Bestandteils des Abgasstroms angeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften offenbarten Messanordnung,
2 ist eine Darstellung der Messanordnung aus 1 in einem auseinandergenommenen Zustand,
3 ist eine Darstellung einer anderen Messanordnung in einem auseinandergenommenen Zustand, und
4 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Heizschicht für die offenbarten Messanordnungen aus den 1 und 3.
Detaillierte Beschreibung
Bezug nehmend auf 1 sind die grundlegenden Merkmale eines Sensorelements 10 dargestellt. Genauer ist das Sensorelement 10 schematisch gezeigt, derart, dass mehrere einzelne Schichten 30, 40, 50, 70 und 80, die das Sensorelement 10 bilden, so gezeigt sind, dass sie überlappen, wie es bei einem vollständig zusammengebauten Sensorelement 10 der Fall wäre. Diese Ansicht stellt die Beziehung zwischen den Merkmalen des Sensorelements 10 dar.
In dem Sensorelement 10 kann eine Sauerstoff-Messelektrode 32 räumlich in der Nähe eines ersten Heizelements 52 und auf einer Außenfläche des Sensorelements 10 (d. h. auf einer Außenfläche der Schicht 30, die die erste der zwei gegenüberliegenden äußeren Schichten des Sensorelements 10 sein kann) angeordnet sein. Das Sensorelement 10 kann ferner eine Bezugselektrode 34 enthalten, die auf einer Innenfläche der Schicht 30 an einer im Wesentlichen ähnlichen Position wie das Heizelement 52 angeordnet ist (d. h. die Bezugselektrode 34 kann in einer Breiten- und einer Längsrichtung des Sensorelements 10 im Wesentlichen mit dem Heizelement 52 ausgerichtet sein). Demzufolge können, wie in 1 gezeigt, die Sauerstoff-Messelektrode 32 und die Bezugselektrode 34 an einem ersten Ende der Schicht 30 zum Ausbilden eines Sauerstoffsensors im Wesentlichen überlappen.
Auf ähnliche Weise kann eine NO_X-Messelektrode 82 räumlich in der Nähe eines zweiten Heizelements 54 auf einer Außenfläche des Sensorelements 10 (d. h. auf einer Außenfläche der Schicht 80, die die zweite der zwei gegenüberliegenden äußeren Schichten des Sensorelements 10 sein kann) angeordnet sein. Eine Bezugselektrode 84 kann auf einer Innenfläche der Schicht 80 an einer im Wesentlichen ähnlichen Position wie das Heizelement 54 angeordnet sein (d. h. die Bezugselektrode 84 kann in einer Breiten- und einer Längsrichtung des Sensorelements 10 im Wesentlichen mit dem Heizelement 54 ausgerichtet sein). Demzufolge können, wie in 1 gezeigt, die NO_X-Messelektrode 82 und die Bezugselektrode 84 an einer Stelle, die in einer Längsrichtung von dem ersten Ende des Sensorelements 10 beabstandet ist, zum Ausbilden eines NO_X-Sensors im Wesentlichen überlappen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein NO_X-Sensor verwendet werden, der gegenüber Sauerstoff unempfindlich ist. In solchen Fällen kann die Bezugselektrode 34 von dem Sensorelement 10 weggelassen werden. Andere Sensoren wie Kohlenwasserstoffsensoren und/oder CO-Sensoren können anstelle der hierin beschriebenen Sensoren verwendet werden.
Das Heizelement 52 kann die Sauerstoff-Messelektrode 32 zum Erzeugen einer ersten Temperaturzone 51 auf einen Temperaturbereich von etwa 500°C–900°C, vorzugsweise auf einen Temperaturbereich von etwa 650°C– 750°C aufheizen,. Bei einigen bestimmten Ausführungsformen kann das Heizelement 52 die erste Temperaturzone 51, die im Wesentlichen die Sauerstoff-Messelektrode 32 enthalten kann, auf eine Temperatur von etwa 700°C aufheizen. Das Heizelement 54 kann die NO_X-Messelektrode 82 zum Erzeugen einer zweiten Temperaturzone 53 auf einen Temperaturbereich von etwa 300°C–600°C, vorzugsweise auf einen Temperaturbereich von etwa 450°C–550°C aufheizen. Bei einigen bestimmten Ausführungsformen kann das Heizelement 54 die zweite Temperaturzone 53, die im Wesentlichen die NO_X-Messelektrode 82 enthalten kann, auf eine Temperatur von etwa 500°C aufheizen. Es sei bemerkt, dass die Heizelemente 52, 54 zusätzlich einem (nicht gezeigten) Katalysator Wärme zuführen und somit die Funktion der Vorrichtung als Ganzes weiter verbessern können.
Eine Windungslänge und/oder eine Querschnittsfläche des Heizelements 52 kann unterschiedlich zu einer Länge und/oder einer Querschnittsfläche des Heizelements 54 sein, und dieser Längen- und/oder Flächenunterschied kann die unterschiedlichen Temperaturbereiche der Temperaturzonen 51 und 53 ermöglichen (d. h., der den unterschiedlichen Längen und/oder Flächen zugeordnete Widerstand kann zu dem resultierenden Temperaturunterschied beitragen). Bei einer Ausführungsform kann der Widerstand eines Leistungsdrahts in Verbindung mit einem Widerstand eines entweder dem ersten oder dem zweiten Heizelement zugeordneten Massedrahts um etwa 25% geringer als ein Widerstand des Heizelements selbst sein. Die Heizelemente 52 und 54 können zum Aufnehmen einer Leistungszufuhr in dem Bereich von etwa 9–24 Volt und insbesondere in dem Bereich von etwa 12–18 Volt ausgelegt sein.
Die Heizelemente 52, 54 können derart angeordnet sein, dass die resultierenden Temperaturzonen 51, 53 im Wesentlichen voneinander getrennt sein können (d. h. derart, dass eine Heizzone eine Temperatur der anderen Heizzone nicht wesentlich beeinflusst). Das heißt, zusätzlich dazu, dass sie sich auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht 30 befinden, können die Heizelemente 52, 54 ebenfalls in einer Längsrichtung der Schicht 30 beabstandet sein. Somit kann, obwohl die Heizelemente 52 und 54 in der Breitenrichtung der Schicht 30 im Wesentlichen ausgerichtet sein können, der Abstand in der Längsrichtung dazu beitragen, die Temperaturzone 51 thermisch von der Temperaturzone 53 zu trennen.
Jede der Schichten 30, 40, 50, 70 und 80 kann zunächst aus einem Grünkeramikband hergestellt werden, das unter Verwendung von Zirkondioxidpulver hergestellt wird, das mit Bindemitteln, Lösungsmitteln und Weichmachern zu einer für ein Foliengießen geeigneten Aufschlämmung vermischt wird. Für Fachleute ist offensichtlich, dass eine Vielzahl von ionenleitenden Keramikmaterialien zum Bilden der leitenden Abschnitte des Sensorelements 10 bekannt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, einen nichtleitenden oder isolierenden Bereich zu dem Sensorelement 10 hinzuzufügen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass ebenfalls eine Vielzahl von isolierenden Keramikmaterialien bekannt ist, die zum Aufbau des Sensorelements 10 verwendet werden könnten. Im Anschluss an die Herstellung der Zirkondioxidaufschlämmung kann die Aufschlämmung foliengegossen und vor weiteren Herstellungsschritten getrocknet werden. Segmente des getrockneten Bands können unter Verwendung bekannter Techniken zu einer ungefähren Form zugeschnitten werden.
Wie in 2 dargestellt, kann die Schicht 30 für eine Platzierung der Sauerstoff-Messelektrode 32 und der Bezugselektrode 34 vorgesehen sein. Die Sauerstoff-Messelektrode 32 kann allgemein aus Platin bestehen, wird jedoch möglicherweise erst dann auf die Schicht 30 gedruckt, nachdem das Sensorelement 10 aus 1 zusammengebaut und gesintert worden ist. Wenngleich die Sauerstoff-Messelektrode 32 unter Umständen vor dem Sintern auf die Schicht 30 gedruckt werden kann, kann das Sintern der Sauerstoff- Messelektrode 32 ihre Porosität und damit ihre Empfindlichkeit und Effektivität verringern.
Die Schicht 40 kann so geschnitten sein, dass sie einen Kanal 42 enthält, der sich von einem Ende desselben in das Sensorelement 10 hinein erstreckt. Der Kanal 42 kann den Eintritt eines Referenzgases ermöglichen, das typischerweise Luft ist. Die Länge und die Geometrie des Kanals 42 können innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung erheblich variieren. Die Schicht 70 kann ebenfalls einen Kanal 72 enthalten, der sich von demselben Ende desselben wie der Kanal 42 in das Sensorelement 10 hinein erstreckt. Die Kanäle 42, 72 können ermöglichen, dass Luft in das Sensorelement 10 eintreten kann, so dass sie die Bezugselektroden 34 und 84 erreichen kann, die jeweils auf Innenflächen der Schicht 30 und der Schicht 80 platziert sind. Wie bei dem in der Schicht 40 vorgesehenen Kanal 42, kann der Kanal 72 der Schicht 70 innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung hinsichtlich der Größe und der Geometrie variieren.
2 stellt ferner die Schicht 50 dar, die so angepasst ist, dass sie die Heizelemente 52, 54 enthält, die die erste und die zweite Temperaturzone 51, 53 erzeugen. Die Heizelemente 52, 54 können so aufgebaut sein, dass sie unabhängig gesteuert werden und unterschiedliche Leistungsversorgungen aufweisen, oder dass sie durch die gleiche Leistungsquelle gesteuert werden und durch Variieren des Widerstands der einzelnen Heizelemente 52, 54 in die Lage versetzt werden, die erste und die zweite Temperaturzone 51, 53 zu erzeugen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass der Widerstand auf viele unterschiedliche Weisen variiert werden kann, einschließlich einer Erhöhung der Längen der Heizelemente 52, 54.
Die Heizelemente 52, 54 können zum Aufnehmen von Leistung in Reihe oder parallel geschaltet sein. Genauer können die Heizelemente 52, 54 an einem Ende 85 miteinander verbunden sein, während das andere Ende 87, 89 jedes Heizelements 52, 54 frei sein kann. Somit könnte jedem der freien Enden 87, 89 Leistung zugeführt werden, und eine Masse könnte derart mit dem Ende 85 verbunden sein, dass die jeweiligen Heizelemente 52, 54 parallel betrieben werden. Bei dieser Konfiguration könnte zusätzlich zu einem Einstellen eines Widerstands jedes Heizelements 52, 54 zum Steuern einer Temperatur der zugehörigen Temperaturzonen 51, 53 jedem freien Ende ein unterschiedlicher Leistungspegel zugeführt werden. Alternativ könnte lediglich einem der freien Enden 87 oder 89 Leistung zugeführt werden, während das andere der freien Enden an Masse liegen kann, derart, dass die jeweiligen Heizelemente 52, 54 in Reihe betrieben werden. In der Reihenkonfiguration könnten Temperaturunterschiede zwischen den Temperaturzonen 51, 53 nur durch Variieren eines Widerstands der jeweiligen Heizelemente 52, 54 gesteuert werden.
Die Heizelemente 52, 54 können in der Nähe der Sauerstoff- und der NO_X-Messelektrode 32, 82 auf gegenüberliegenden Flächen der Schicht 50 angeordnet sein, derart, dass die Schicht 50 zumindest in gewissem Maße eine Isolierung zwischen den Temperaturzonen 51, 53 bereitstellt. Die Heizelemente 52, 54 können durch Siebdruck hergestellt und vor dem Zusammenbau des Sensorelements 10 etwa zwei Stunden lang bei etwa 80°C in einem Ofen getrocknet werden. Nach dem Siebdruck der Elektroden können die Grünkeramikschichten 30, 40, 50, 70 und 80 unter Verwendung einer Technik wie dem Bonden mit Lösungsmitteln, einer Wärmelaminierung oder einer anderen, dem Fachmann bekannten Technik laminiert werden. Bei Verfahren, die eine Wärmelaminierung verwenden, werden die einzelnen Schichten unter Verwendung einer Schichtpresse zusammengepresst. Nach der Laminierung der Schichten 30, 40, 50, 70 und 80 kann das Sensorelement 10 unter Verwendung von Fachleuten bekannten Techniken zu der endgültigen Form zugeschnitten werden und dann für das Sintern bereit sein.
Das laminierte Grünkeramikbandsensorelement 10 kann dann etwa zwei Stunden lang bei etwa 1475°C gesintert werden. Nach dem Sintern kann das Sensorelement 10 auf der Seite, die der Schicht 30 entspricht, mit Platin für die Sauerstoff-Messelektrode 32 beschichtet werden, wie in den 1 und 2 schematisch gezeigt ist. Die gegenüberliegende Seite des Sensorelements 10, die der Schicht 80 entspricht, kann zum Herstellen der NO_X-Messelektrode 82 mit einer Verbindung aus W03/ZrO2 beschichtet werden. Die NO_X-Messelektrode 82 kann vorzugsweise nach dem Sintern auf dem Sensorelement 10 angebracht werden, so dass eine chemische Reaktion bei hoher Temperatur mit dem Zirkondioxid in dem Grünband verhindert wird. Nach dem Anbringen der Elektroden kann das Sensorelement 10 zum Herstellen einer guten Haftung der Sauerstoff-Messelektrode 32 und der NO_X-Messelektrode 82 an dem Äußeren des Sensorelements 10 bei einer hohen Temperatur in dem Bereich von etwa 800°C–1000°C und in einigen Fällen in dem Bereich von etwa 850°C–950°C gebrannt werden.
Bei einigen Ausführungsformen können die Sauerstoff- und die NO_X-Messelektrode 32, 82 Mischpotentialsensoren sein, die unter Verwendung eines halbleitenden Oxidmaterials hergestellt werden. Bei einigen spezifischen Ausführungsformen kann das halbleitende Oxidmaterial mindestens eine der vorliegenden Verbindungen enthalten: WO₃, Cr₂O₃, Mn₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂ und CO₃O₄. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Mehrkomponenteoxidmaterial wie beispielsweise ein Spinell oder ein Perovskit verwendet werden. Bei einigen bestimmten Ausführungsformen kann das Mehrkomponentenoxidmaterial mindestens eines der folgenden Materialien sein: NiCr₂O₄, ZnFe₂O₃, CrMn₂O₃, LaSrMnO₃, LaSrCrO₃ und LaSrFeO₃.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass die Zahl und die Konfiguration der Schichten 30, 40, 50, 70 und 80, die zum Aufbau des Sensorelements 10 verwendet werden, innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung erheblich variieren könnten. Genauer könnten die Sauerstoff- und NO_X-Messelektrode 32, 82 und/oder die Heizelemente 52, 54 an einer Vielzahl von Positionen platziert sein, einschließlich auf der gleichen Fläche einzelner Lagen. Ferner könnten die Kanäle 42, 72, anstatt vollständig durch eine Schicht geschnitten zu sein, in diese eingeprägt oder teilweise aus dieser herausgeätzt sein. Andere Variationen, einschließlich Variationen des Elektrodenmaterials, der Form und in einigen Fällen der Platzierung der Elektrode, könnten innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung von einem Fachmann vorgenommen werden.
3 stellt die einzelnen Schichten eines anderen Sensorelements 210 dar. Diese Ausführungsform kann auf ähnliche Weise wie die unter Bezugnahme auf die 1–2 im Vorhergehenden detaillierter erörterte zusammengebaut werden. Das Sensorelement 210 kann eine optionale erste Schicht 230 enthalten. Die Schicht 230 kann eines oder mehrere Durchgangslöcher 232 zum Ermöglichen eines Zugangs zu mehreren Heizelementen 252, 254 enthalten, die auf einer zweiten Schicht 240 angeordnet sind. Wie vorher beschrieben, können die Heizelemente 252, 254 auf der gleichen Fläche der Schicht 230 oder alternativ auf gegenüberliegenden Flächen der Schicht 230 angeordnet sein. Die Schicht 240 kann durch eine optionale und elektrisch isolierende Schicht 250 von einer Kanalschicht 260 beabstandet sein. Die Kanalschicht 260 kann einen Kanal 262 zum Ermöglichen eines Eintritts von Luft enthalten, die zu einer auf einer Innenfläche der Schicht 270 angeordneten Bezugselektrode 272 geleitet wird. Wie im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der 1–2 erklärt, können eine Sauerstoff-Messelektrode 274 und eine NO_X-Messelektrode 276 auf einer Außenfläche der Schicht 270 platziert werden.
4 stellt eine alternative Heizschicht 300 dar. Bei dieser Heizschicht können ein erstes und ein zweites Heizelement 302, 304 einen gemeinsamen Massedraht 306 verwenden. Das heißt, jedes der Heizelemente 302, 304 kann über separate Leistungsdrähte 308, 310 Leistung aufnehmen, jedoch an der Masseleitung 306 enden. Zusätzlich kann, wie aus 4 ersichtlich ist, das Heizelement 304 im Wesentlichen orthogonal zu dem Heizelement 302 ausgerichtet sein (d. h. die Windungsrichtung des Heizelements 304 kann in etwa senkrecht zu der Windungsrichtung des Heizelements 302 sein). Diese Konstruktion kann ein kompakteres Sensorelement ermöglichen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegend offenbarten Sensorelemente können sowohl als ein Sauerstoffsensor als auch als ein NO_X-Sensor verwendet werden, da es zwei unterschiedliche Temperaturzonen enthält. Genauer kann eine der Temperaturzonen einem Sauerstoffsensor zugeordnet sein, während eine zweite der Temperaturzonen einem Mischpotential-NO_X-Sensor zugeordnet sein kann. Die Sensorelemente der vorliegenden Offenbarung können durch Miniaturisieren des Keramiksensorelements und Enthalten von zwei elektrochemischen Sensorzellen eine Gesamtsystemleistung verbessern. Die Sensorelemente der vorliegenden Offenbarung enthalten zusätzlich zwei metallische Muster, die als „Heizelemente” zum Aufheizen separater und getrennter Bereiche der Keramikstruktur dienen, wenn eine Spannung und ein Strom an Kontaktstellen der Strukturen angelegt werden.
Durch Aufnahme dieser Heizelemente in die Keramikstruktur eines Sensorelements wird die Wärmeübertragungsrate auf die Messelektroden erhöht. Eine erhöhte Wärmeübertragungsrate liefert schnellere Anspringzeiten für die Sensorkomponenten des Sensorelements. Zusätzlich zu dem Vorhergehenden werden durch die Optimierung der Struktur der Heizkonstruktion und den Aufbau des Mehrschichtkeramikgehäuses thermische Beanspruchungen aufgrund rascher Temperaturänderungen minimiert. Diese Merkmale können zu einer verbesserten Leistung über die gesamte Lebensdauer und einer verbesserten Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung führen.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem Sensorelement vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen werden für Fachleute bei einer Betrachtung der Beschreibung und bei einer Verwendung des offenbarten Sensorelements offensichtlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als exemplarisch aufgefasst werden, wobei der wahre Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente festgelegt wird.
Zusammenfassung
MEHRSCHICHTGASSENSOR MIT ZWEI HEIZZONEN
Es wird ein Gassensor (10) zum Detektieren von NO_x bereitgestellt. Der Gassensor kann mehrere Substratelemente (30, 40, 50, 70, 80), eine erste Messelektrode (32) und eine zweite Messelektrode (82) enthalten. Der Gassensor kann ferner ein erstes Heizelement (52), das der ersten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer ersten Seite eines der mehreren Substratelemente (50) angeordnet ist, und ein zweites Heizelement (54) enthalten, das der zweiten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des einen der mehreren Substratelemente angeordnet ist.

Claims

Gassensor (10) mit: mehreren Substratelementen (30, 40, 70, 80), einer ersten Messelektrode (32), einer zweiten Messelektrode (82), einem ersten Heizelement (52), das der ersten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer ersten Seite eines der mehreren Substratelemente (50) angeordnet ist, und einem zweiten Heizelement (54), das der zweiten Messelektrode zugeordnet ist und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des einen der mehreren Substratelemente angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem eine Windungsrichtung des ersten Heizelements im Wesentlichen senkrecht zu einer Windungsrichtung eines zweiten Heizelements ist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Heizelement einen gemeinsamen Masseanschluss (85) verwenden.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Heizelement in Reihe geschaltet sind.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem mindestens das erste oder das zweite Heizelement vor einem Bonden mit dem einen der mehreren Substratelemente hergestellt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem: das erste Heizelement eine erste Heizschaltung (87, 52, 85) enthält, die erste Heizschaltung die einzige Heizschaltung auf der ersten Seite des einen der mehreren Substratelemente ist, das zweite Heizelement eine zweite Heizschaltung (89, 54, 85) enthält, und die zweite Heizschaltung die einzige Heizschaltung auf der zweiten Seite des einen der mehreren Substratelemente ist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die erste Messelektrode bezüglich des ersten Heizelements gegenüberliegend auf einem zweiten der mehreren Substratelemente (30) angeordnet ist, und die zweite Messelektrode bezüglich des zweiten Heizelements gegenüberliegend auf einem dritten der mehreren Substratelemente (80) angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem das erste Heizelement während eines Betriebs eine erste Heizzone (51) mit einer ersten Temperatur erzeugt, das zweite Heizelement während eines Betriebs eine zweite Heizzone (53) mit einer zweiten Temperatur erzeugt, und das erste Heizelement und die erste Heizzone während eines Betriebs im Wesentlichen von dem zweiten Heizelement und der zweiten Heizzone getrennt sind.
Verfahren zum Messen der Konzentration von Bestandteilen eines Abgasstroms, beinhaltend: Erzeugen einer ersten Heizzone (51), Messen eines ersten Parameters in der ersten Heizzone, wobei der erste Parameter eine Konzentration eines ersten Bestandteils des Abgasstroms angibt, Erzeugen einer zweiten Heizzone (53), die von der ersten Heizzone durch eine isolierende Grenzschicht (50) getrennt ist, und Messen eines zweiten Parameters in der zweiten Heizzone, wobei der zweite Parameter eine Konzentration eines zweiten Bestandteils des Abgasstroms angibt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die erste und die zweite Heizzone ferner durch einen Abstand in einer Längsrichtung der isolierenden Grenzschicht getrennt sind.