DE19806308A1 - Gassensor zur Sauerstoffmessung mit Verwendung und Meßverfahren - Google Patents
Gassensor zur Sauerstoffmessung mit Verwendung und MeßverfahrenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Gassensoren mit einer sau
erstoffempfindlichen Halbleiterschicht, sowie deren Verwen
dung und Meßverfahren.
Gassensoren mit einer sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht werden insbesondere eingesetzt, um bei Automobilmoto
ren mit geregeltem Katalysator für das richtige Verhältnis
von Treibstoff und Luft zu sorgen, so daß im Motor der Treib
stoff zwar vollständig umgesetzt wird, aber keine überschüs
sige Luft eingeführt wird.
Ein Maß für die Zusammensetzung des Luft-Treibstoff-Ge
misches, welches dem Motor zur Verfügung gestellt wird, ist
der sogenannte Lambda-Wert. Wird zuviel Sauerstoff für eine
gegebene Treibstoffmenge eingeführt, ist der Lambda-Wert grö
ßer als 1; im Hinblick auf den Treibstoffmangel spricht man
vom "Magerbetrieb" des Motors. Hier verläßt der überschüssige
Sauerstoff den Verbrennungsraum wieder und der Sauerstoffge
halt im Abgas, d. h. der Sauerstoffpartialdruck ist hoch, wo
bei er typisch im Prozentbereich liegt. Wird hingegen zuwenig
Sauerstoff für eine gegebene Treibstoffmenge eingeführt, ist
Lambda kleiner als 1; man spricht von einem "fetten Gemisch".
Der Luftsauerstoff wird unter diesen Bedingungen praktisch
vollständig umgesetzt, so daß der Sauerstoffpartialdruck im
Abgas um mehrere Größenordnungen niedriger ist als bei Mager
betrieb.
Zur Messung werden typisch Halbleiter eingesetzt, deren elek
trische Leitfähigkeiten sauerstoffabhängig sind. Die Leitfä
higkeit hängt zunächst vom Sauerstoffpartialdruck ab, und
zwar näherungsweise über folgenden funktionalen Zusammenhang:
σ = σ0.p (O2)m
mit σ = Leitfähigkeit
σ0 = sensorspezifische Konstante
p(O2) = Sauerstoffpartialdruck
m = materialabhängige Konstante
wobei die materialabhängige Konstante m bei n-Leitung je nach Sauerstoffpartialdruck zwischen etwa -1/6 und -1/4 und bei p-Lei tung ca. +1/4 beträgt. Die Leitfähigkeit ist aber auch temperaturabhängig, so daß Temperaturschwankungen Meßfehler verursachen.
σ0 = sensorspezifische Konstante
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wobei die materialabhängige Konstante m bei n-Leitung je nach Sauerstoffpartialdruck zwischen etwa -1/6 und -1/4 und bei p-Lei tung ca. +1/4 beträgt. Die Leitfähigkeit ist aber auch temperaturabhängig, so daß Temperaturschwankungen Meßfehler verursachen.
Die DE 42 03 522 C1 offenbart einen Sensor nach dem Oberbe
griff des Anspruch 1. Dabei wird vorgeschlagen, eine O2-Sen
soranordnung auf der Basis halbleitender Metalloxyde vor
zusehen, deren Leitfähigkeit bei erhöhter Temperatur vom O2-Par
tialdruck abhängt und in welcher die Sensoranordnung zwei
Metalloxyd-Einzelsensoren aufweist, die im beabsichtigten
Meßbereich eine unterschiedliche Abhängigkeit der Leitfähig
keit vom Sauerstoffpartialdruck, hingegen eine weitgehend
gleiche Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit zeigen, die
sich im gebildeten Quotienten der Leitfähigkeitsmeßsignale
beider Sensoren entsprechend weitgehend heraushebt. Dabei
können die Sensoren so gewählt werden, daß ihre Kennlinien,
d. h. die Abhängigkeit ihrer Leitfähigkeit von der Sauer
stoffkonzentration, entgegengesetzt verlaufen, wobei sich die
über weite Bereiche in doppelt-logarithmischer Auftragung li
neare Kennlinien ergeben, aber auch das übliche Kennlinien-Mi
nimum auftreten kann. Eine Verwendung des Sensors zur Ab
gasmessung wird nicht erwähnt.
Neben der Temperaturabhängigkeit wird die Messung mit derar
tigen Sensoren noch durch Querempfindlichkeiten negativ be
einflußt, d. h. die Sensoren sprechen nicht nur auf den Sauer
stoff in dem Abgasgemisch an, sondern auch auf andere Abgas
bestandteile. Dabei stören im Automobilbereich besonders un
verbrannte und partiell oxydierte Kohlenwasserstoffe, wenn
das Verhältnis von Sauerstoff zu unverbrannten Kohlenwasser
stoffen bestimmt werden soll.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 91 116 715 ist ein
Abgassensor zur Regelung von Brennkraftmaschinen bekannt,
worin eine Sensor-Einheit als Kombination zweier Sensor-Ele
mente vorgesehen ist, die auf einem gemeinsamen Substrat
angeordnet sind, wobei das eine Sensor-Element auf sich eine
Katalysatorschicht trägt und dazu bestimmt ist, den Sauer
stoffpartialdruck zu messen, nachdem sich das Abgas bei
spielsweise an der Sensor-Elektrode vollständig aus reagiert
hat und wobei das andere Sensor-Element, das keine Katalysa
torschicht auf sich trägt, gleichzeitig den Sauerstoffpar
tialdruck im Abgas ohne die katalytisch Einstellung stöchio
metrischer Verhältnisse mißt und wobei das Differenzsignal
der Signale aus dem einen Sensor-Element und dem anderen Sen
sor-Element ein direktes Maß für die Unvollständigkeit der
Verbrennung in der Brennkraftmaschine bildet. Die Sensor-
Elemente sollen in ihrem Aufbau mit Ausnahme der Katalysator
schicht auf dem Sensor-Element identisch sein und die zwei
Sensor-Elektrodenpaare zur Gewinnung des Differenzsignals ge
geneinandergeschaltet sein. Nach der EP 91 116 715 wird zwar
in einer Schicht eine katalytische Abreaktion von Sauerstoff
mit Kohlenwasserstoffen vorgenommen, aber es wurde nicht er
kannt, daß damit bereits eine für die Abgascharakterisierung
besonders geeignete Größe erhalten wird. Weil die so erfor
derliche Verknüpfung dieser Größe mit einer weiteren Größe
eine einfache Temperaturkompensation verhinderte, war die
ganze Anordnung besonders temperaturempfindlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bessere
Abgasmessungen als im Stand der Technik unter Verwendung re
sistiver sauerstoffempfindlicher Halbleiterschichten zu er
möglichen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst,
wobei bevorzugte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprü
chen angegeben sind.
Ein Grundgedanke der Erfindung, welcher den unabhängigen An
sprüchen zugrunde liegt, besteht darin, bei Abgasmessungen
systematisch Gebrauch von der vermeintlich störenden Queremp
findlichkeit auf Kohlenwasserstoffe und dem Ansprechen der
resistiven Sensoren auf diese Substanzen zu machen. Damit
stellt die Meßwert"verfälschung" keinen unerwünschten Effekt
mehr dar, sondern verbessert sogar die Messungen. Dies ge
schieht zum einen, indem mit dem sauerstoffempfindlichen Sen
sor statt Sauerstoff ein ganz anderer Bestandteil des Abgas
gemisches gemessen wird, nämlich die Kohlenwasserstoffe
selbst, und zum anderen, indem eine bessere Charakterisierung
der Sauerstoffzufuhr erhalten wird.
Dabei schlägt die Erfindung vor, eine Reaktion von Sauerstoff
und Kohlenwasserstoffen im Abgasgemisch durch den Sensor zu
katalysieren; jene Querempfindlichkeiten, welche von der Um
setzung der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff außerhalb des
Verbrennungsraumes herrühren, werden also gezielt zur Meß
wertverbesserung genutzt. Die zuvor unerwünschten Reaktionen
zwischen Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen führen so direkt
zu einer besonders aussagekräftigen Meßgröße, wobei das ge
wonnene Signal zugleich praktisch frei von Temperaturschwan
kungen ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde also erstmals erkannt,
daß der Restsauerstoff eine Größe ist, die selbst besonders
gut die Sauerstoffzufuhr zum Motor charakterisiert. Erst dank
dieser Erkenntnis war es möglich, einen temperaturkompensier
ten Sauerstoffsensor für Abgasmessungen zu schaffen, der von
Querempfindlichkeiten allenfalls wenig gestört wird.
Wenn über jeder der sauerstoffempfindlichen Halbleiterschich
ten eine separate, katalytisch wirkende Deckschicht vorgese
hen ist, sind wechselseitige Beeinflussungen beider, sich
temperaturkompensierender Halbleiterschichten über die Deck
schicht zumindest weitgehend ausgeschlossen.
Bevorzugt ist die Deckschicht porös, so daß sowohl Sauer
stoffmoleküle als auch Kohlenwasserstoffmoleküle aus dem Gas
gemisch ohne weiteres in sie eindringen können und umgesetzt
werden. Damit ist sichergestellt, daß sowohl die Sauerstoff-
als auch die z. T. größeren Kohlenwasserstoffmoleküle im
Schichtvolumen umgesetzt werden, und nicht lediglich an der
Schichtoberfläche eine Reaktion katalysiert wird.
Als katalytisch aktive Substanz können in die Deckschicht
Platinspuren eingebracht werden und/oder Spuren irgend eines
anderen Platinmetalles, Edelmetall aus der Gruppe des Platin,
wie Palladium oder Rhodium. Diese Platinmetall-Spuren sind
vorzugsweise in der Deckschicht fein verteilt. Dabei kann die
Deckschicht eine Kornstruktur aus Kristallkörnern oder Kri
stalliten aufweisen und die Platinmetallspuren sind auf der
Oberfläche der Körner vorgesehen. Auf diese Weise wird eine
sehr große katalytisch aktive Platinoberfläche bzw. Oberflä
che an anderen Platinmetallen in der Deckschicht erreicht und
die Schicht bietet die Gewähr für eine zumindest im wesentli
chen vollständige Umsetzung der Reaktanden.
Die Deckschicht wird typisch als Dickschicht gebildet, die
aber auch bei vergleichsweise dünner Auslegung die Diffusion
von Sauerstoff an die gasempfindlichen Halbleiterschichten
praktisch nicht beeinträchtigt. Im Volumeninneren werden die
Platinmetallspuren bevorzugt durch Thermolyse eines platinme
tallhaltigen Fluids abgeschieden. Dazu kann auf die noch in
aktive Deckschicht bei der Herstellung der Gassensoren das
platinhaltige Fluid aufgetropft, eine für das insbesondere
kapillare Eindringen des Fluids in die Poren der Deckschicht
ausreichende Zeit abgewartet und dann der Sensor auf kontrol
lierte Weise, d. h. einem vorgegebenen Temperaturprofil fol
gend, erhitzt werden, um die Thermolyse des im Volumeninneren
der Deckschicht vorhandenen Fluids zu bewirken. Als Fluid
kann eine wässerige Lösung einer gut löslichen Platin-
Verbindung verwendet werden, insbesondere Hexachloroplatin
säure.
Es ist bevorzugt, die Deckschicht aus Aluminiumoxyd, Al2O3,
herzustellen. Diese Material weist eine geeignete Porosität
auf, so daß eine Abscheidung von Platin auf den Wänden der
Porenräume, d. h. auf den Kornoberflächen, ohne weiteres mög
lich ist und ein hinreichendes Eindringen der Gaskomponenten
gewährleistet ist. Zugleich ist es selbst chemisch inert, so
daß die Katalyse einzig durch die auf das Material aufge
brachten Substanzen wie Platin bewirkt wird und die Katalyse
gut zu definieren ist.
Es wird weiter vorgeschlagen, Sauerstoff-Gassensor zur Koh
lenwasserstoffmessung zu verwenden.
Wenn dieser Sensor in einer Umgebung eingesetzt wird, wo sich
Sauerstoff- und Kohlenwasserstoffgehalt meßbar ändern, wird
zur Ermittlung der Kohlenwasserstoff-Konzentration bevorzugt
auf den Sauerstoffgehalt korrigiert. Als Maß für den Sauer
stoffgehalt kann erfindungsgemäß der Restsauerstoffgehalt
herangezogen werden. Dann kann ein Doppel-Sensor verwendet
werden, dessen sauerstoffempfindliche Halbeiterschichten nur
zum Teil mit einer katalytisch aktiven Deckschicht versehen
sind. Ein Sensor, bei welchem neben den mit katalytisch akti
ven Deckschichten versehenen sauerstoffempfindlichen Halblei
terschichten noch wenigstens eine sauerstoffempfindliche
Halbleiterschicht vorgesehen ist, wird also erfindungsgemäß
besonders gut zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffwerten ge
eignet sein.
Hierzu kann vorgesehen werden, daß über der zur eigentlichen
Kohlenwasserstoffmessung herangezogenen sauerstoffempfindli
chen Halbleiterschicht eine Deckschicht vorgesehen wird, wel
che zwar porös ist, aber nicht durch das Einbringen von Pla
tinspuren oder dergl. für die katalytische Umsetzung von Koh
lenwasserstoffen mit Sauerstoff vorbereitet ist. Wahlweise
wird Deckschicht ganz weggelassen. Der weiteren sauerstof
fempfindlichen Halbleiterschicht ohne katalytisch aktive
Deckschicht kann zur Kompensation ihrer Temperaturempfind
lichkeit noch eine weitere sauerstoffempfindliche Halbleiter
schicht zugeordnet sein, die ebenfalls keine katalytisch ak
tive Deckschicht aufweist.
Diese sauerstoffempfindlichen Halbleiterschichten ohne kata
lytisch aktive Deckschicht werden nicht nur auf Sauerstoff
ansprechen, sondern auch auf im Abgasgemisch enthaltene Koh
lenwasserstoffe. Wie einleitend erwähnt, ist es prinzipiell
bekannt, einen Gassensor mit einer sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschicht und einer temperaturkompensierenden sauer
stoffempfindlichen Halbleiterschicht auszustatten, wobei bei
de Halbleiterschichten unterschiedliche Sauerstoffempfind
lichkeiten besitzen. Vorliegend wird eine solche Anordnung
aber nicht zur Sauerstoffmessung verwendet, sondern zur Be
stimmung von Kohlenwasserstoffen, d. h. der Kohlenwasserstoff-
Mischungsverhältnisse bzw. der Konzentration an Kohlenwasser
stoffen im Gasgemisch. Es wurde erkannt, daß das Sensorsignal
auf reproduzierbare Weise auf die Kohlenwasserstoffe rea
giert. Damit wird das Ansprechen des Gassensors auf Kohlen
wasserstoffe nicht als störende Querempfindlichkeit betrach
tet, sondern nach entsprechender Kalibrierung sogar genutzt.
Bei Messungen in Abgasgemischen kann dann eine Anordnung mit
einer Auswerteschaltung eingesetzt werden, welcher die Signa
le sowohl von einer Teil-Sensoranordnung mit Deckschicht als
auch von einer Teil-Sensoranordnung ohne katalytisch aktive
Deckschicht zugeführt werden. Die Auswerteschaltung ermittelt
zunächst einen praktisch temperaturunabhängigen Wert für den
Restsauerstoffgehalt des Abgasgemisches anhand des Meßsignals
aus der Sensoranordnung mit Deckschicht. Dann wird im Anspre
chen auf das Signal, welches an der sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschicht ohne katalytisch aktive Deckschicht be
stimmt wird, ein für den Kohlenwasserstoffgehalt repräsenta
tives Signal ermittelt. Dabei kann auf den Sauerstoffgehalt
im Abgasgemisch korrigiert werden. Dies ist möglich, obwohl
nicht der Sauerstoffgehalt, sondern der Restsauerstoffgehalt
an der anderen Teil-Sensoranordnung gemessen wird, denn die
Abnahme der Sauerstoffkonzentration auf den Restsauerstoffge
halt wird zumindest im wesentlichen durch die Kohlenwasser
stoffe verursacht, wobei der genaue funktionale Zusammenhang
ohne weiteres vorab ermittelt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Gassensoranordnung ge
mäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Heizmäanderanordnung für einen Gassensor der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Meßelektrodenanordnung des Sensors gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 Leitfähigkeitskurven sauerstoffempfindlicher Halb
leiterschichten für die Gassensoren der vorliegen
den Erfindung sowie den Quotienten der Leitfähig
keiten zweier unterschiedlich dotierter Strontium
titanatschichten;
Fig. 5 ein Ausgangssignal eines Sensors mit einer plati
nierten porösen Deckschicht in Abhängigkeit vom
Sauerstoffgehalt eines untersuchten Gasgemisches;
Fig. 6 die Abhängigkeit eines Meßsignals vom Gasgemisch-
Sauerstoffgehalt bei einem Sensor ohne platinierte
poröse Deckschicht.
Nach Fig. 1 umfaßt ein allgemein mit 1 bezeichneter Gassen
sor ein Trägersubstrat 2, welches bevorzugt aus Aluminiu
moxyd, Al2O3, besteht. Die Oberseite 3 des flachen Substrates
2 weist einen ersten Sensorbereich 4 mit von innen nach außen
einer Meßelektrodenstruktur 5, einer sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschicht 6 und einer katalytisch aktiven, porösen
Deckschicht 7 auf, in die auf noch zu beschreibende Weise
Platinspuren eingebracht sind. Neben dem Sensorbereich 4 ist
ein zweiter Sensorbereich 8 vorgesehen mit einer Meßelektro
denstruktur 9 und einer sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht 10. Die sauerstoffempfindlichen Halbleiterschichten 6
und 10 haben die gleiche Zusammensetzung.
Das Trägersubstrat 2 weist auf der gegenüberliegenden Seite
einen spiegelbildlichen Schichtaufbau auf, wobei eine Meße
lektrode 11 der Meßelektrode 5 entspricht; eine sauerstof
fempfindliche Halbleiterschicht 12 der sauerstoffempfindli
chen Halbleiterschicht 6 entspricht; eine poröse Deckschicht
13 der porösen Deckschicht 7 entspricht; eine Meßelektrode 14
der Meßelektrode 9 entspricht und eine sauerstoffempfindliche
Halbleiterschicht 15 der sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht 10 entspricht. Die Zusammensetzung der Halbleiter
schichten 12 und 15 ist dabei untereinander gleich, aber von
jener der Halbleiterschichten 6 und 10 verschieden.
Das Trägersubstrat 2 ist in mehreren Lagen aufgebaut. Auf je
der Lage ist ein Funktionselement aus Platin vorgesehen, näm
lich zunächst auf einem ersten Substrat die Meßelektroden
strukturen 3 bzw. 9, dann, innenliegend, eine Heizungsstruk
tur 16 und ein Temperaturfühler (nicht gezeigt) aus geeigne
tem Material. Auf einem weiteren Substrat sind für die zweite
Außenseite die Meßelektrodenstrukturen 11 und 14 vorgesehen.
Die Substrate sind zusammengepreßt und gesintert, um das
mehrlagige Sensorelement zu bilden. Die jeweiligen Lagen kön
nen in bekannten Verfahren, wie durch Siebdruck als Dick
schicht oder insbesondere durch Hochfrequenz-Sputtern in
Dünnschicht, auf dem Substrat abgeschieden werden.
Nach Fig. 2 umfaßt die aus Platin hergestellte Hei
zungsstruktur 16 im Aluminiumoxydsubstrat zwei Anschlußfelder
16a, 16b, welche über eine Mehrzahl von dünnen Heizleitern
17a, 17b verbunden sind. Die Heizleiter 17a, 17b können er
forderlichenfalls zu Erzielung eines gewünschten Erwärmungs
musters mäanderförmig oder in Schleifen geführt sein, wie bei
17c angedeutet.
Die Heizungsstruktur ist so zentral angeordnet, daß sie die
beiden Substratseiten und insbesondere beide Halbleiter
schichten auf näherungsweise gleiche Temperaturen erwärmt,
was für eine Temperaturkompensation besonders vorteilhaft
ist. Bevorzugt ist die Heizungsstruktur 16 so dimensioniert,
daß im Betrieb eine Temperatur der sauerstoffempfindlichen
Halbleiter in den zum Sauerstoffnachweis relevanten Bereichen
von zumindest 700° und bevorzugt zumindest 800°C erreicht
wird.
Einleuchtenderweise können anstelle von reinem Platin auch
Legierungen aus Platinmetallen wie Platin mit hohem Rhodium
anteil usw. für die Heizungsstruktur verwendet werden, oder
andere Materialien, welche eine hinreichend hohe thermische
Stabilität besitzen, wie im Stand der Technik bekannt.
Fig. 3 veranschaulicht schematisch die Meßelektrodenstruktur
5, welche den Meßelektrodenstrukturen 9, 11 und 14 gleicht.
Die Meßelektrodenstruktur 5 wird bevorzugt aus einer interdi
gitalen Elektrodenstruktur mit zwei Meßelektroden 5a, 5b ge
bildet, die jeweils ein Anschlußfeld 18a, 18b aufweisen, um
über eine externe Leitung eine Verbindung der Elektroden z. B.
zu einer Auswerteschaltung zu ermöglichen. Dort kann etwa die
Leitfähigkeit der über der Meßelektrode 5 angeordneten sauer
stoffempfindlichen Halbleiterschicht 6 bestimmt und ausgewer
tet werden. Die Anschlußfelder 18a, 18b sind über jeweilige,
einander parallele Verbindungsstege 19a, 19b mit einer Mehr
zahl von paarweise parallelen Elektrodenfingern 20a, 20b ver
bunden, welche sich von ihrem Verbindungssteg bis dicht an
den gegenüberliegenden Verbindungssteg erstrecken, ohne in
direkten elektrischen Kontakt damit zu treten. Zwischen zwei
mit dem ersten Verbindungssteg 19a verbundenen Elektrodenfin
gern 20a ist jeweils ein mit dem zweiten Verbindungssteg 19b
verbundener Elektrodenfinger angeordnet und umgekehrt. Auf
diese Weise wird eine interdigitale Elektrodenstruktur erhal
ten, welche sich im elektrischen Kontakt mit der sauerstof
fempfindlichen Halbleiterschicht befindet. Die beschriebene
Interdigitalstruktur der beispielsweise aus Platin herstell
baren Elektroden kann in Dünnschichttechnik durch Sputtern,
Strukturierung durch Lithographie, Ätzen usw. oder in Dick
schichttechnik, beispielsweise durch Siebdruck, auf dem Alu
miniumsubstrat vorgesehen werden.
Die interdigitale Elektrodenstruktur kann wie das Heizelement
oder auf andere Weise und/oder aus anderen Materialien gebil
det sein.
Die sauerstoffempfindliche Halbleiterschicht 6 wird als eine
erste Halbleiterschicht aus n-dotiertem Strontiumtitanat,
SrTiO3, in Dick- oder Dünnschichtaufbau gebildet. Die n-do
tierte Halbleiterschicht 6 ist mit Ta5+-Ionen, Niob, Wolf
ram oder dergleichen dotiert; die Dotierung ist so gewählt,
daß auch bei hohen Sauerstoffkonzentrationen in Abgasgemi
schen die Leitfähigkeits-Kennlinie kein oder ein allenfalls
schwach ausgeprägtes Minimum aufweist, was bei Einsatz als
Lambda-Sonde vorteilhaft ist. Der gewünschte Kennlinienver
lauf wird bei Dotierung des Strontiumtitanates mit Tantal im
Bereich zumindest ab 0,1 mol% bis 10 mol% ohne weiteres er
reicht; es versteht sich, daß andere Dotierungskonzentratio
nen möglich sind, insbesondere für andere Donatoren.
Die sauerstoffempfindliche Halbleiterschicht 10 ohne Deck
schicht ist wie die sauerstoffempfindliche Halbleiterschicht
6 aufgebaut und dotiert.
Auf der Unterseite des Gassensorsubstrates 2 ist die zweite
Halbleiterschicht 12 bevorzugt aus akzeptordotiertem Stronti
umtitanat gebildet, wobei als Akzeptoren insbesondere Eisen,
aber auch Chrom oder andere Substanzen in Frage kommen. Das
somit p-leitende Strontiumtitanat wird bevorzugt in Dünn
schichttechnologie, etwa durch Sputtern, realisiert. Die
Halbleiterschicht 15 ist wie die Halbleiterschicht 12 aufge
baut. Durch die unterschiedlichen Dotierungen der Halbleiter
schichten 6 und 12 bzw. 10 und 15 ergeben sich unterschiedli
che Sauerstoff-Leitfähigkeits-Kennlinienverläufe bei weitge
hend gleicher Temperaturabhängigkeit. Dies ist in Fig. 4 dar
gestellt, wo auch der Quotient beider Leitfähigkeiten gezeigt
ist.
Erfindungsgemäß ist über der sauerstoffempfindlichen Halblei
terschicht 6 bzw. der sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht 12 eine katalytisch aktive Schicht aufgebracht. Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht sie aus porösem Alu
miniumoxyd, welches in Dickschichttechnik auf die Sensor
schicht aufgebracht ist. Vor der Benutzung des Sensors werden
in die Deckschicht Platinspuren als katalytisch aktives Mate
rial eingebracht. Dazu wird auf die Aluminiumoxyd-Dickschicht
eine Lösung aus Hexachloroplatinat (H2PtCl6) aufgetropft, die
in die Porenräume eindringt und gemäß einem vorbestimmten
Temperaturprofil so getrocknet, daß in den Porenräumen des
Aluminiumoxyds feste Hexachloroplatinsäure abgeschieden und
danach durch Erhitzung auf eine hinreichend hohe Temperatur
wie 800°C unter Bildung von katalytisch hoch aktivem Platin
an der Oberfläche der Aluminiumoxydkörner in der Deckschicht
zersetzt wird.
Anstelle von Platin könnte auch ein anderes Platinmetall als
katalytisch aktive Substanz verwendet werden.
Die Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung wird wie folgt
betrieben:
Zunächst erfolgt eine Kalibrierung der Anordnung. Dazu wird der Sensor bei der späteren Einsatztemperatur verschiedenen Gasgemischen mit unterschiedlichen, aber bekannten Sauer stoff- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen ausgesetzt. Die Kohlenwasserstoffe entsprechen den bei der Messungen erwarte ten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und des Konzentrati onsbereiches. Es wird dann ermittelt, wie sich die Signalaus gänge des Sensors mit dem Restsauerstoffgehalt bzw. dem Koh lenwasserstoffgehalt ändern.
Zunächst erfolgt eine Kalibrierung der Anordnung. Dazu wird der Sensor bei der späteren Einsatztemperatur verschiedenen Gasgemischen mit unterschiedlichen, aber bekannten Sauer stoff- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen ausgesetzt. Die Kohlenwasserstoffe entsprechen den bei der Messungen erwarte ten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und des Konzentrati onsbereiches. Es wird dann ermittelt, wie sich die Signalaus gänge des Sensors mit dem Restsauerstoffgehalt bzw. dem Koh lenwasserstoffgehalt ändern.
Der Sensor wird dann an einer Meßstelle, beispielsweise in
einem Abgas-Verbrennungskanal eingebaut und die Heiz- und Meß
elektroden in der erforderlichen Weise beschaltet, d. h. an
Auswerte- bzw. Spannungsversorgungseinrichtungen angeschlos
sen. Dann wird die Heizungsstruktur mit Energie versorgt, um
den Sensor auf die erforderliche Temperatur von zumindest
700°C, beispielsweise bevorzugt 790°C, zu erhitzen.
Bei einer solchen Temperatur ist es möglich, die Temperatu
rempfindlichkeit der sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht 6 unter Heranziehung des an der Halbleiterschicht 12
gewonnenen Ausgangssignals praktisch vollständig zu kompen
sieren. In entsprechender Weise wird die Temperaturempfind
lichkeit der sauerstoffempfindlichen Halbleiterschicht 10
durch die sauerstoffempfindliche Halbleiterschicht 15 kompen
siert. Zu diesem Zweck werden die Leitfähigkeiten der Halb
leiterschichten 6 und 12 bestimmt und der Quotient der beiden
bestimmten Leitfähigkeiten ermittelt.
Es wird dann der Verbrennungsprozeß in Gang gesetzt und das
Verbrennungsabgas, welches in schwankender Konzentration un
verbrannte Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff enthält, durch
den Verbrennungskanal vorbei an der Sensoranordnung geführt.
Die im Laufe der Zeit schwankenden Meßgaskonzentrationen füh
ren zu Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit der jewei
ligen Halbleiterschichten. Die Fig. 5 und 6 zeigen, wel
chen Einfluß der Sauerstoffgehalt eines Abgasgemisches auf
den Quotienten der Leitfähigkeiten besitzt. Die in den Fig.
5 und 6 gezeigten Messungen wurden an einem Gasmotor
durchgeführt, der im Magerbereich betrieben wurde.
In Fig. 5 ist der temperaturunabhängige Quotient aus der
Leitfähigkeit einer p-dotierten und einer n-dotierten Stron
tiumtitanatschicht gegen den Sauerstoffgehalt in einem Abgas
gemisch gezeigt, wie er mit einem Meßgerät bestimmt wurde,
welches Sauerstoff anhand dessen paramagnetischer Eigenschaf
ten frei von Querempfindlichkeiten mißt. Es ergibt sich ein
etwa linearer Zusammenhang.
Versuche haben ergeben, daß die sauerstoffempfindliche Halb
leiterschicht 6 hingegen nicht oder in allenfalls vernachläs
sigbarer Weise auf Kohlenwasserstoffe im Abgasgemisch anspre
chen wird. Es wird geglaubt, daß dafür folgender Mechanismus
verantwortlich ist: Wenn Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff
gemeinsam im zu untersuchenden Gasgemisch vorliegen, werden
sie gemeinsam in die hinreichend großen Poren der Deckschicht
7 eintreten. Dort wird an der großen Oberfläche der Porenin
nenwände durch das in Spuren aufgebrachte Platin eine prak
tisch vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit dem
Sauerstoff erfolgen, so daß nur der Restsauerstoff an die
sauerstoffempfindliche Halbleiterschicht gelangt. Der gleiche
Vorgang der katalytischen Umsetzung findet in der Deckschicht
13 statt. Somit gelangt zumindest bei entsprechendem Sauer
stoffüberschuß kein Kohlenwasserstoff an die sauerstoffemp
findliche Halbleiterschicht.
Das Meßsignal an den Halbleiterschichten 6 und 12 ist also
dank der katalytisch aktiven Schicht darüber ein direktes Maß
für den Restsauerstoffgehalt des Abgasgemisches. Wird, wie im
Stand der Technik per se bekannt, der Quotient der Leitfähig
keiten beider sauerstoffempfindlicher Halbleiterschichten ge
bildet, so erhält man eine weitgehend temperaturunabhängige
Meßgröße, die praktisch ausschließlich für den Restsauer
stoffgehalt repräsentativ ist, aber nur noch allenfalls ver
nachlässigbare Querempfindlichkeiten aufweist.
In Fig. 6 ist in gleicher Weise der Quotient aus der Leitfä
higkeiten einer p-dotierten Strontiumtitanatschicht ohne ka
talytisch aktive Deckschicht und der Leitfähigkeit einer n-do
tierten Strontiumtitanatschicht ohne katalytisch aktive
Deckschicht gegen den tatsächlichen Sauerstoffgehalt aufge
tragen. Der Verlauf ist jenem von Fig. 5 entgegengesetzt und
hat eine andere Steilheit.
In den Halbleiterschichten 10 und 15 der zweiten Sensoranord
nung führen also sowohl die schwankenden Sauerstoff- als auch
die schwankenden Kohlenwasserstoff-Mischungsverhältnisse im
Abgasgemisch zu Variationen der elektrischen Leitfähigkeiten.
Der Quotient der elektrischen Leitfähigkeiten beider Halblei
terschichten wird sich dabei in Abhängigkeit von beiden Grö
ßen ändern, aber keine praktisch relevante Temperaturvariati
on aufweisen.
Der Vergleich der Fig. 5 und 6 zeigt, daß mit und ohne ka
talytisch aktive Schicht deutlich unterschiedliche Abhängig
keiten des Sensorsignals von dem Sauerstoffgehalt in einem
Verbrennungs-Abgasgemisch, welches neben Sauerstoff noch un
verbrannte Kohlenwasserstoffe enthält, erhalten werden. Die
genaue Abhängigkeit ist aus den Kalibrierungen bekannt und so
kann der Kohlenwasserstoffgehalt durch z. B. algebraische Ver
knüpfung der an beiden Sensorbereichen mit und ohne Deck
schicht oder mit einer Nachschau-Tabelle bestimmt werden. Es
ist somit durch geeignete Kalibrierung und insbesondere durch
gleichzeitige Berücksichtigung der an beiden Bereichen gewon
nen Signale möglich, sowohl den Restsauerstoffgehalt in einem
Abgasgemisch als auch den Gehalt an unverbrannten Kohlenwas
serstoffen selbst dann zu bestimmen, wenn sich beide Größen
gleichzeitig stark ändern.
Anstelle einer katalytisch aktiven Schicht in Form einer po
rösen Deckschicht, in welcher Platinspuren eingebracht sind,
können auch andere geeignete Deckschichten vorgesehen werden,
welche katalytisch zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit
Sauerstoff in Gasgemischen aktiviert sind.
Sofern die Aktivierung durch Einbringen von Platin in die Po
ren einer porösen Deckschicht erfolgen soll, ist es auch mög
lich, diese auf andere Weise als durch Auftropfen eine Fluids
wie Hexachloroplatinsäure in die Deckschicht einzubringen.
Dies gilt auch für andere Platinmetalle.
Während die Fig. 5 und 6 aus versuchstechnischen Gründen nur
eine Sauerstoffvariation zwischen 7 und 12% umfassen, werden
größere Meßbereiche möglich sein und z. B. bis 3-Vol% Sauer
stoff oder weniger meßbar sein.
Claims (15)
1. Gassensor zur Sauerstoffmessung mit einer ersten sauer
stoffempfindlichen Halbleiterschicht und einer weiteren sau
erstoffempfindlichen Halbleiterschicht zur Kompensation einer
Temperaturempfindlichkeit der ersten Halbleiterschicht, da
durch gekennzeichnet, daß über beiden sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschichten eine Deckschicht zur katalytischen Umset
zung von im Meßgas vorhandenen Kohlenwasserstoffen mit Sauer
stoff vorgesehen ist.
2. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach Anspruch 1, worin
über den beiden sauerstoffempfindlichen Halbleiterschichten
zwei separate katalytisch aktive Deckschichten vorgesehen
sind.
3. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, worin die katalytisch aktive Deckschicht
porös ist.
4. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Deck
schicht Platinspuren und/oder Spuren eines anderen Platinme
talles wie Palladium oder Rhodium eingebracht sind.
5. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, worin mindestens eine und vorzugsweise jede
poröse Deckschicht eine Kornstruktur aufweist und die Spuren
eines Platinmetalles auf die Kornoberfläche aufgebracht sind.
6. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach dem vorhergehenden
Anspruch, worin Spuren eines Platinmetalles durch Thermolyse
eines platinmetallspurenhaltigen Fluids auf den Kornoberflä
chen im Deckschichtvolumeninneren aufgebracht sind.
7. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, worin mindestens eine und vorzugsweise jede
Deckschicht aus Aluminiumoxyd besteht.
8. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach Anspruch 1, worin die
Sauerstoffempfindlichkeit beider Halbleiterschichten vonein
ander abweicht.
9. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, worin die sauerstoffempfindlichen Halblei
terschichten aus Strontiumtitanat bestehen.
10. Gassensor zur Sauerstoffmessung nach Anspruch 9, worin
die beiden sauerstoffempfindlichen Halbleiterschichten zur
Erzielung einer unterschiedlichen Sauerstoffempfindlichkeit
unterschiedlich dotiert sind, wobei insbesondere eine Schicht
n- und die andere Schicht p-dotiert ist.
11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
weiter wenigstens eine sauerstoffempfindliche Halbleiter
schicht ohne platinierte poröse Deckschicht vorgesehen ist.
12. Gassensor nach Anspruch 11, worin der weiteren sauerstoff
empfindlichen Halbleiterschicht ohne platinierte poröse
Deckschicht eine weitere sauerstoffempfindliche Halbleiter
schicht zur Kompensation einer Temperaturempfindlichkeit zu
geordnet ist, wobei insbesondere die Sauerstoffempfindlich
keit beider Halbleiterschichten zumindest geringfügig ab
weicht und eine der beiden Halbleiterschichten ein Minimum
bei höheren Sauerstoffpartialdrücken aufweisen kann.
13. Gassensoranordnung mit einem Gassensor nach dem vorherge
henden Anspruch und einer Auswerteschaltung, worin die Aus
werteschaltung ein Mittel zur Bestimmung eines für den
Restsauerstoffgehalt eines Abgasstromes repräsentativen Sig
nals im Ansprechen auf ein an der sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschicht mit platinierter Deckschicht bestimmtes
Meßsignal und/oder ein Mittel zur Bestimmung eines für den
Kohlenwasserstoffgehalt eines Abgasstromes repräsentativen
Signals im Ansprechen auf einer der sauerstoffempfindlichen
Halbleiterschicht ohne platinierte poröse Deckschicht be
stimmtes Meßsignal umfaßt.
14. Verwendung einer Gassensoranordnung mit einer ersten,
temperaturabhängigen sauerstoffempfindlichen Halbleiter
schicht und einer zur Temperaturkompensation herangezogen
Halbleiterschicht, worin insbesondere die Sauerstoffempfind
lichkeit beider Halbleiterschichten bei niedrigen Sauerstoff
partialdrücken zumindest geringfügig abweicht und eine der
beiden Schichten ein Minimum bei höheren Sauerstoffpar
tialdrücken aufweisen kann, zur Messung von Kohlenwasserstoff
in Verbrennungsabgasen.
15. Verfahren zur Messung von Kohlenwasserstoff in Verbren
nungsabgasen nach dem vorhergehenden Anspruch, worin ein Sen
sor Halbleiterschichten aufweist, deren Sauerstoffempfind
lichkeiten entgegengesetzt verlaufen, derart, daß die Kennli
nie der einen Halbleiterschicht mit steigendem Sauerstoffpar
tialdruck ansteigt und jene der zweiten abfällt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998106308 DE19806308A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Gassensor zur Sauerstoffmessung mit Verwendung und Meßverfahren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998106308 DE19806308A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Gassensor zur Sauerstoffmessung mit Verwendung und Meßverfahren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19806308A1 true DE19806308A1 (de) | 1999-08-26 |
Family
ID=7857862
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998106308 Withdrawn DE19806308A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Gassensor zur Sauerstoffmessung mit Verwendung und Meßverfahren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19806308A1 (de) |
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1998
- 1998-02-16 DE DE1998106308 patent/DE19806308A1/de not_active Withdrawn
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