DE19900017C2

DE19900017C2 - Gassensor

Info

Publication number: DE19900017C2
Application number: DE19900017A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bloemer; Rainer Strohmaier; Carsten Springhorn; Detlef Heimann; Margret Schuele; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-01-02
Filing date: 1999-01-02
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2019-01-03
Also published as: DE19900017A1; JP2000206081A; US6352631B1

Description

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gassensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Gassensoren, beispielsweise zur Untersuchung von Kraftfahrzeug-Abgasen, weisen zwei Elektroden auf, die auf einem Elektrolytsubstrat aufgebracht sind. In der Regel wird hierbei ein Zirkondioxidsubstrat verwendet, auf das eine Metalloxidelektrode sowie eine Platinreferenzelektrode aufgebracht ist. In Kontakt mit dem zu analysierenden Gas finden an der Metalloxidelektrode Oberflächenreaktionen und in deren Folge eine Ionenbildung statt, wobei diese Ionen durch den Elektrolyten wandern. Im Falle eines Aufbaus wie vorbeschrieben findet eine O₂ ^- Ionenbildung statt, die durch das als Elektrolyt verwendete Zirkondioxid wandern. Die Flußrichtung dieser Ionenwanderung wird von den jeweiligen Potentialen an den beiderseitigen Elektroden bestimmt, die sich bei Vorliegen der entsprechenden Gaszusammensetzung einstellen. Zwischen den beiden Elektroden ist somit eine Potentialdifferenz in Form einer elektrischen Spannung meßbar, anhand derer Aussagen über die Gaszusammensetzung getroffen werden können.

Da unterschiedliche Gaskomponenten zur Signalbildung an der Metalloxidelektrode beitragen, spricht man von einem sogenannten Mischpotentialsensor. Die Einflüsse der verschiedenen Gaskomponenten auf das Sensorsignal sind ebenso temperaturabhängig wie die gesamte Intensität des Messsignals.

Zum gasspezifischen Einsatz eines solchen Sensors ist daher die Kenntnis der Temperatur des Sensors von Bedeutung. Besondere Vorteile ergeben sich aus der Möglichkeit, eine vorgegebene Temperatur einzustellen, d. h. aus einer Temperaturregelung.

Daher ist man bereits dazu übergegangen, in das Substrat des Elektrolyten ein Heizelement und einen Temperatursensor zu integrieren.

Aus der DE 41 09 516 A1 ist ein Gassensor mit einem Substrat bekannt, auf dessen einer Außenfläche eine Elektrode angeordnet ist. Die Elektrode wird auf der Außenfläche von einer als Temperatursensor dienenden Leiterbahn umgeben. Der Temperatursensor ist mit seinen Anschlüssen von der Elektrode beabstandet und elektrisch getrennt angeordnet.

Aus der DE 30 21 745 C2 ist ein Gassensor mit einem Substrat bekannt, auf dem auf gegenüberliegenden Seiten eine erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 16 angeordnet ist. Auf der ersten Elektrode ist ein Widerstandselement 60 vorgesehen. Auf dem Widerstandselement 60 ist eine weitere Elektrode 62 vorgesehen, die wohl der Kontaktierung des Widerstandselements 60 dient. Der Widerstand des Widerstandselements, der sich mit abnehmender Temperatur verringert, ist so gewählt, dass die temperaturbedingte Veränderung des Substrats (Festelektrolytschicht 12) gerade kompensiert wird.

Aus der DE 40 25 715 C1 ist außerdem ein Temperatursensor bekannt, der ein Widerstandselement mit einem temperaturabhängigen Widerstand aufweist, wobei das Widerstandselement mehrere, stapelförmig übereinander aufgebrachte Widerstandsbahnen aufweist.

Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gassensors in der einleitend beschriebenen Art vorzuschlagen, bei dem Störeinflüsse, beispielsweise durch unterschiedliche Temperaturen innerhalb des Elektrolytsubstrats vermindert werden, um so ein besser verwertbares Sensorsignal zu erhalten.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gassensor der einleitend beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Gassensor mit zwei Elektroden, die an der Oberfläche eines Elektrolytsubstrats angeordnet sind, dadurch aus, dass ein Temperatursensor ebenfalls auf der Oberfläche des Elektrolytsubstrats angeordnet ist. Dieser Temperatursensor, der so nahe wie möglich in der Nähe der Elektroden ausgebildet wird, ist in der Lage, genau die Oberflächentemperatur des Foliensubstrats in unmittelbarer Nähe der Sensorelektroden, insbesondere in unmittelbarer Nähe derjenigen Elektrode, an der die Reaktionen mit dem zu messenden Gas erfolgen, die zur Bildung der meßbaren Potentialdifferenz führen, zu messen.

In einer besonderen Ausführungsform wird diese Elektrode als Metalloxidelektrode ausgebildet und auf einem Substrat aus Zirkondioxid aufgebracht. Dies ermöglicht den Reaktionsmechanismus der eingangs erläuterten Art, d. h. die Bildung von Reaktionen der mit der Oberfläche der Metalloxidelektrode in Berührung kommenden Gase und die Weiterleitung dieser O₂ ^- Ionen an eine entsprechende Gegenelektrode. Diese Gegenelektrode wird als Referenzelektrode aus einem chemisch möglichst inerten Material beispielsweise einem Edelmetall wie Platin gebildet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Temperatursensor an der Oberfläche des Elektrolytsubstrats als sogenannter PTC, d. h. als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand, ausgebildet. Dies ermöglicht zum einen die Temperaturmessung beim Anlegen einer definierten Spannung beidseits dieses Leiters.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Temperaturfühler als Leiterbahn auf das Elektrolytsubstrat aufgebracht. Eine solche Leiterbahn kann mit den üblichen Oberflächentechniken aufgebracht werden.

Vorteilhafterweise wird diese Leiterbahn mit einer Struktur versehen, die die Länge der Leiterbahn verlängert, ohne den Abstand zu den Sensorelektroden nennenswert zu vergrößern. Eine solche Struktur kann beispielsweise mit einer Mäanderform realisiert werden. Neben der Verlängerung der Leiterbahn ergibt sich durch die parallele, entgegengesetzte Stromführung durch einen solchen Mäander zugleich eine Reduzierung der durch den Stromfluß hervorgerufenen elektromagnetischen Felder, so daß hierdurch keine weitere Störgröße erzeugt wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Temperaturfühler durch eine der beiden Elektroden gebildet. Hierdurch wird durch den Temperatursensor zum einen die Temperatur in unmittelbarer Elektrodennähe gemessen und zum anderen wird die Anzahl der für den Betrieb des Sensors notwendigen externen Kontakte reduziert, in dem der Temperatursensor gleichzeitig als Elektrode des Gassensors verwendet werden kann. Durch die Verwendung des Temperatursensors als Elektrode werden statt zwei separater Anschlüsse für den Temperatursensor und eines Anschlusses für die Elektrode nur zwei Anschlüsse benötigt.

Vor allem mißt der Temperatursensor die Temperatur am genauen Ort der Elektrode, so daß eine besonders gute Ermittlung der Elektrodendurchschnittstemperatur erreicht werden kann.

Ein erfindungsgemäßer Temperatursensor ist auch als katalytisch arbeitender Dedektor vorstellbar, der die Reaktionswärme dedektieren kann.

Bevorzugt wird die Spannungsversorgung potentialfrei ausgebildet, so daß die an dem Temperatursensor angelegte Spannung das Sensorsignal nicht störend beeinflußt.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur nachfolgend näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors.

Der Gassensor 1 umfaßt eine Metalloxidelektrode 2 die gegenüberliegend einer mäanderförmigen Referenzelektrode 3, bevorzugt aus Platin angebracht ist. Die Referenzelektrode 3 ist dementsprechend mit zwei Kontakten 4, 5 versehen. Das Potential der Metalloxidelektrode kann über einen weiteren Kontakt 6 abgegriffen werden.

Die beiden Elektroden 2, 3 sind beispielsweise auf Zirkondioxidsubstrat aufgebracht.

Beim Betrieb des Sensors kommen die zu vermessenden Gase in einem Gemisch mit beiden Elektroden 2, 3 in Berührung. An der Metalloxidelektrode 2 finden dabei chemische Reaktionen statt. Je nach Art des Gases wird hierbei aus Sauerstoffmolekülen O₂ ein O₂ ^- Ion gebildet oder ausgehend von O₂ ^- Ionen neutrale Sauerstoffmoleküle freigesetzt. Die O₂ ^- Ionen wandern durch das Elektrolytsubstrat, wobei sich die Flußrichtung dieser Ionenwanderung aus der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 2, 3 ergibt. Für die zu vermessenden Gase in Verbindung mit dem Gassensor gibt es dementsprechend wie bei galvanischen Elementen eine Spannungsreihe, aus der die verschiedenen Potentiale und somit das Vorzeichen sowie die Größe der sich zwischen den Elektroden 2, 30 ausbildenden Spannung zu ersehen ist.

Diese Spannung kann beispielsweise zwischen den Kontakten 5, 6 abgegriffen werden, während zwischen den Kontakten 4, 5 mit einem potentialfreien Netzgerät eine konstante Spannung angelegt wird. Über den Strom, der zwischen den Kontakten 4, 5 durch die Elektrode 3 fließt läßt sich die Temperatur direkt am Ort der Elektroden messen. Über die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 5, 6 kann das entsprechende Sensorsignal abgegriffen werden. Bei Verwendung einer separaten Heizvorrichtung beispielsweise im Inneren des Substrats kann somit die Temperatur unabhängig von der erforderlichen Heizleistung gemessen werden.

Darüber hinaus kann die Referenzelektrode eine gezielte Stromaktivierung erfahren ohne daß die Metalloxidelektrode 2 hiervon beeinträchtigt wird.

Durch die Erfindung kann ein Mischpotentialsensor der vorgestellten Art eine präzise Temperaturkontrolle erhalten, wodurch die Genauigkeit der spezifischen Gasmeßung verbessert wird.

Bezugszeichenliste

1

Gassensor

2

Metalloxidelektrode

3

Referenzelektrode

4

Kontakt

5

Kontakt

6

Kontakt

Claims

1. Gassensor mit einer ersten Elektrode (3) und einer zweiten Elektrode (2), die an der Oberfläche eines Elektrolytsubstrats angeordnet sind, wobei ein Temperatursensor (3) auf der Oberfläche des Elektrolytsubstrats angeordnet ist, um die Temperatur am Ort der Elektroden (2, 3) zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) die erste Elektrode (3) umfasst, und dass die erste Elektrode (3) einen ersten und einen zweiten Anschluss (4, 5) aufweist, zwischen denen ein temperaturabhängiger Widerstand der ersten Elektrode (3) messbar ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildet ist.

3. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) als Leiterbahn auf das Elektrolytsubstrats aufgebracht ist.

4. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsbahn des Temperaturfühlers (3) eine Struktur zur Verlängerung der Leiterbahn in einem vorgegebenen Flächenbereich umfasst.

5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mäanderförmig ist.

6. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Spannungsversorgung für den Temperatursensor (3) vorgesehen ist.

7. Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung potenzialfrei ist.

8. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (3) als Referenzelektrode aus Platin ausgebildet ist.

9. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytsubstrats wenigstens teilweise aus Zirkondioxid besteht.

10. Gassensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Elektroden eine Metalloxidelektrode ist.