EP3049801A1 - Sensor zur erfassung eines gases in einer umgebung des sensors - Google Patents

Sensor zur erfassung eines gases in einer umgebung des sensors

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EP3049801A1
EP3049801A1 EP14786622.2A EP14786622A EP3049801A1 EP 3049801 A1 EP3049801 A1 EP 3049801A1 EP 14786622 A EP14786622 A EP 14786622A EP 3049801 A1 EP3049801 A1 EP 3049801A1
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EP
European Patent Office
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voltage
electrode
transport layer
sensor
heating device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14786622.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Ante
Torsten Reitmeier
Andreas Wildgen
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3049801A1 publication Critical patent/EP3049801A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component

Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting a gas in a vicinity of the sensor, in particular an oxygen ⁇ sensor for detecting an oxygen content in a Conversely ⁇ environment of the sensor.
  • a sensor for detecting a gas, in particular oxygen, in the vicinity of the sensor may have a transport layer for transporting ions.
  • the sensor may, for example, have a transport layer of yttrium-doped zirconium oxide, which becomes conductive at a certain temperature for ions, for example for oxygen ions.
  • the sensor may further comprise electrodes disposed on the transport layer and vonein ⁇ other through the transport layer are electrically isolated.
  • the electrodes can be formed from porous platinum. By applying a suitable voltage difference between the electrodes of the electrode as a cathode and the other electrode can be ⁇ be exaggerated as the anode.
  • a heating device can be provided, which is separated from the transport layer by a protective layer.
  • the arrangement can be regulated such that the oxygen concentration in the region of the cathode is approximately zero.
  • oxygen molecules diffuse from the environment to the cathode.
  • the oxygen molecules are converted to oxygen ions. Due to the between the cathode and
  • Anode applied voltage difference migrate the oxygen ions from the cathode to the anode.
  • the anode is made of porous
  • the platinum is formed, the oxygen ions recombine at the anode to form oxygen molecules, which are released back to the surrounding ⁇ environment.
  • a control voltage is applied to the heating device.
  • the temperature of the heating device can be regulated.
  • a significant drift of the measuring current as a function of ⁇ depends on the heating capacity of the heating device.
  • the object of the present invention is to provide a sensor for detecting a gas in an environment of the sensor, in which a current measured between electrodes of the sensor depends almost exclusively on the composition of the gas in the vicinity of the sensor and largely independent of the heating power of a Is heating device.
  • the sensor comprises a transport layer for transporting ions, wherein the transport layer is conductive from a temperature for the ions. Furthermore, the sensor has a first electrode and a second electrode, which are arranged at a distance from one another and separated from one another by the transport layer.
  • the sensor includes fully moreover a heating device for heating the transport layer to the temperature at which the transmembrane ⁇ port layer is conductive. Furthermore, the sensor has a controllable current or voltage source for generating a control voltage for controlling a temperature of the heating means. The current or voltage source is connected to the heating device.
  • the sensor may comprise a further controllable current or voltage source for applying a first potential to the first electrode and a second Anle ⁇ gene different from the first potential to the second electrode potential.
  • a further controllable current or voltage source for applying a first potential to the first electrode and a second Anle ⁇ gene different from the first potential to the second electrode potential.
  • the voltage difference between the first and second electrodes is generated such that the first electrode is operated as a cathode and the second electrode as an anode. If the controllable current or voltage source for generating the control voltage for the heating device generates the control voltage in such a way that the average voltage or the average voltage potential at the heating device is greater than that
  • a protective layer can be provided between the transport layer and the heating device.
  • the protective layer is such forms ⁇ out that they have a higher for a transport of ions Has resistance as the transport layer.
  • the protective layer may ⁇ be impassable for example, oxygen ions. Due to the tendency of the ions to migrate to the higher voltage potential of the heater, the ions can attach to the protective layer and pinch off a conductive channel of the transport layer between the cathode and the anode.
  • the controllable current or voltage source for generating the control voltage for the heating means to the heating means has an average voltage potential of 0 V. This prevents the Io ⁇ NEN be tightened in the transport layer of a positivederspo ⁇ potential of the heating apparatus, which is higher than the voltage potential at the anode.
  • the controllable current or voltage source ⁇ for controlling the heating means generate the control voltage such that the voltage potential generated at the heating means corresponds to the voltage potential of the first electrode, that is the voltage potential of the Katho ⁇ de. Since the voltage potential of the second Elect ⁇ rode, that is, the anode is higher than the voltage Spoten ⁇ potential of the first electrode, i.e. the cathode, the ions are in their migration through the transport layer not by the voltage potential of the heating device, the alternative according to the Embodiment corresponds to the voltage potential of the cathode, influenced. Thus, it can be ensured also in the al ⁇ ternatives second embodiment of the sensor that the ion current is virtually independent of the set on the heater power within the transport layer.
  • FIG. 1 embodiment of a sensor for detecting gas in an environment of the sensor
  • FIG. 2 embodiment of a sensor for detecting gas in an environment of the sensor
  • Figure 2 shows an embodiment of a controllable current
  • Voltage source for generating a control voltage for controlling a temperature of the Erissermungseinrich device.
  • FIG. 1 shows a sensor 1 for detecting a gas G in an environment U of the sensor.
  • the sensor is designed in particular for detecting an oxygen content in an environment of the sensor.
  • the sensor comprises a transport layer 10 for the transport of ions I, in particular of oxygen ions.
  • the transport layer 10 is conductive at a certain temperature for the ions I.
  • the transport layer 10 may include doped at ⁇ game as yttrium zirconium oxide.
  • a first electrode 21 and a second electrode 22 are arranged.
  • a heating device 30 is provided for heating the transport layer 10 to the temperature at which the transport layer 10 for the ions I becomes conductive.
  • the heating means 30 can be used as a heating wire, for example, as ei ⁇ ne platinum coil may be formed. By applying a control voltage, the heating power of the heating device 30 can be regulated.
  • the sensor 1 has a controllable
  • Current or voltage source 40 for generating a control voltage for controlling a temperature of the heating device 30 on.
  • the current or voltage source 40 is connected to the heating device 30.
  • a controllable current or voltage source 50 is provided for applying a voltage difference between the first electrode 21 and the second electrode 22.
  • the controllable current or voltage source 50 is designed such that a voltage between the first and second electrodes 21, 22 voltage difference can be generated in such a way that the first electrode 21 as a cathode and the second electrode 22 as the anode ⁇ operable bar.
  • a protective layer 60 is provided between the transport layer 10 and the heating device 30, a protective layer 60 is provided.
  • the protective layer 60 ⁇ is adapted for transport of Io ⁇ nen I have a higher resistance than the transport layer 10th
  • the protective layer 10 may for example be designed as stand-ne alumina layer can not migrate through the sow ⁇ erstoffionen.
  • Electrode 21 and an environment U, in which the gas G is present, a diffusion barrier layer 70 may be arranged.
  • the first electrode 21 is thus arranged between the diffusion barrier layer 70 and the protective layer 60 and embedded in the transport layer 10.
  • the heating device 30 is arranged on a substrate 80.
  • Measurement of an oxygen concentration in the intake tract be arranged from a Ab ⁇ gas recirculation.
  • the oxygen content in the gas G can see, for example, between 10% and 21% after the exhaust gas recirculation into the environment U occurs.
  • the sensor is controlled so that an oxygen concentration in the region of the cathode 21 is approximately zero.
  • Oxygen molecules of the gas G dif ⁇ therefore fundify from the environment U through the diffusion barrier layer 70 to the cathode 21.
  • an oxygen molecule receives four electrons and thereby becomes the oxygen ion.
  • the ions migrate in the ideal case by the ion-conductive transport layer 10, which is heated by the heating device 10 to a particular Tempe ⁇ temperature, for example to a temperature of more than 650 ° C, 22 to the anode, the ions recombine in the formed of porous platinum anode and are returned to the environment U of the gas G as oxygen molecules.
  • a measure of the oxygen content in the gas G a measure of the oxygen content in the gas G
  • Ammeter 90 in the circuit between the controllable current or voltage source 50 and the electrodes 21, 22 may be arranged. It is found that a control ⁇ voltage for the heater 30 is at a sensor arrangement in which controllable by the current or voltage source 40 generates such a way that the mean voltage at the heater 30 is greater than the voltage potential at the anode 22, ei - ne significant drift of the measuring current occurs. The one with the
  • Current meter 90 detected measuring current is thus dependent not only on the oxygen concentration in the gas G, but also on the set heating power or the voltage applied to the heating device 30 in relation to the anode 22 voltage potential.
  • the controllable current or voltage ⁇ source 50 to the cathode 21 is a voltage potential of 2.1 V and the anode 22, a voltage potential of 2.5 V is applied and of the controllable current or voltage source 40 to the heating device 30 a medium voltage potential between 6 V and 11 V is applied, the oxygen ions Despite the protective layer 60, I more strongly attracted by the heating device 30 than by the anode 22.
  • the protective layer 60 prevents, apart from a small ionic current due to defects, an immediate ion current to the heating device 30, but above the protective layer 60 oxygen reservoirs 100 are formed, which make it difficult to pump the oxygen ions to the anode 22.
  • the voltage potential at the Erisser ⁇ determining unit 30 of the controllable source of current and voltage 40 is set such that a preferred direction of movement of oxygen ions to the anode 22 secured to and a pumping action of the heating means is prevented 30th
  • the controllable current or voltage source 40 can drive the heating device 30 in such a way that a time-averaged potential of 0 V is applied to the heating device 30.
  • the controllable current or voltage source 40 can be designed, for example, to generate a voltage change ⁇ .
  • the controllable current or voltage source 40 may in particular be designed to generate the AC voltage in such a way that a positive and negative potential of the same level is alternately applied to the heating device 30.
  • the control ⁇ bare current or voltage source 40 may generate a control voltage such as a pulse width modulated voltage.
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the controllable current or voltage source 40 as a full bridge circuit, in particular as an H full bridge circuit.
  • the full-bridge circuit has a current path 41 and a current path 42, which are connected between a positive supply potential VDD and a negative supply potential VSS.
  • In the current path 41 are controllable switches 43 and 44 angeord ⁇ net.
  • controllable switches 45 and 46 are arranged.
  • the controllable switches can be designed, for example, as transistors.
  • a first side of the He ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ rmungs beautiful 30 is connected to the current path 41 and a second side of the heating apparatus 30 is connected to the current path 42nd
  • the first side of the heating device 30 is connected to the current path 41 between the controllable switches 43 and 44.
  • the second side of the heating device 30 is connected to the current path 42 between the controllable switch 45 and the controllable switch 46.
  • the full bridge circuit can be alternately create a positive and negative voltage potential level to the same Erisser ⁇ determining unit 30 with respect to one side of the heating device.
  • the controllable switches 43 and 46 are turned on and the controllable switches 44 and 45 are locked.
  • the steu ⁇ trollable switches 43 and 46 closed and subsequently the controllable
  • Switches 44 and 45 conductively controlled.
  • a further embodiment of the sensor is specified, with which it can likewise be prevented that oxygen ions are attracted to a voltage potential of the heating device 30 that is greater than the voltage potential at the anode.
  • the controllable current or voltage source 40 can generate the control voltage for the heating device 30 such that at the heating device 30 the voltage potential of the cathode 21 is applied.
  • the anode 22 on the highest voltage potential of the arrangement so that the ions pulled from the cathode to the anode who ⁇ .

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Abstract

Ein Sensor (1) zur Erfassung eines Gases (G) in einer Umgebung (U) des Sensors umfasst eine Transportschicht (10) zum Transport von Ionen (I), wobei die Transportschicht (10) ab einer Temperatur für die Ionen (I) leitfähig ist, eine erste Elektrode (21) und eine zweite Elektrode (22), die durch die Transportschicht (10) beabstandet zueinander angeordnet sind, und eine Erwärmungseinrichtung (30) zum Erwärmen der Transportschicht (10) auf die Temperatur. Der Sensor weist des Weiteren eine steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) zum Erzeugen einer Steuerspannung zum Steuern einer Temperatur der Erwärmungseinrichtung (30) auf. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) ist derart steuerbar, dass an der Erwärmungseinrichtung (30) ein zeitlich gemitteltes Spannungspotenzial von Null Volt oder das Spannungspotenzial der ersten Elektrode (21) anliegt.

Description

Beschreibung
Sensor zur Erfassung eines Gases in einer Umgebung des Sensors
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Gases in einer Umgebung des Sensors, insbesondere einen Sauerstoff¬ sensor zur Erfassung eines Sauerstoffgehalts in einer Umge¬ bung des Sensors.
Ein Sensor zur Erfassung eines Gases, insbesondere von Sauerstoff, in der Umgebung des Sensors kann eine TransportSchicht zum Transport von Ionen aufweisen. Der Sensor kann beispielsweise eine TransportSchicht aus Yttrium dotiertem Zirkonoxid aufweisen, das ab einer bestimmten Temperatur für Ionen, beispielsweise für Sauerstoffionen, leitfähig wird. Der Sensor kann darüber hinaus Elektroden umfassen, die an der Transportschicht angeordnet und durch die TransportSchicht vonein¬ ander elektrisch isoliert sind. Die Elektroden können aus po- rösem Platin ausgebildet sein. Durch Anlegen einer geeigneten Spannungsdifferenz zwischen die Elektroden kann eine der Elektroden als Kathode und die andere Elektrode als Anode be¬ trieben werden. Zur Erwärmung der TransportSchicht kann eine Erwärmungseinrichtung vorgesehen sein, die durch eine Schutz- schicht von der TransportSchicht getrennt ist.
Wenn der Sensor als Sauerstoffsensor ausgeführt ist, kann die Anordnung derart geregelt sein, dass die Sauerstoffkonzentra- tion im Bereich der Kathode ungefähr Null ist. Wenn die An- Ordnung in eine sauerstoffhaltige Umgebung eingebracht wird, so dass die Elektroden mit einem sauerstoffhaltigen Gas der Umgebung in Kontakt kommen, diffundieren Sauerstoffmoleküle aus der Umgebung zur Kathode. An der aus porösem Platin gebildeten Kathode werden die Sauerstoffmoleküle zu Sauerstof- fionen umgewandelt. Aufgrund der zwischen der Kathode und
Anode anliegenden Spannungsdifferenz wandern die Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode. Wenn auch die Anode aus porö- sem Platin ausgebildet ist, rekombinieren die Sauerstoffionen an der Anode zu Sauerstoffmolekülen, die wieder an die Umge¬ bung abgegeben werden. Durch Messung des beim Anlegen der Spannungsdifferenz zwischen der Kathode und Anode auftretenden Stroms lässt sich eine Aussage über den Sauerstoffgehalt in einem Messgas in der Umgebung des Sensors treffen. Der gemessene Strom ist von der Konzentration beziehungsweise dem Partialdruck des Sauer- Stoffs im Messgas abhängig.
Zum Betreiben der Erwärmungseinrichtung wird eine Steuerspannung an die Erwärmungseinrichtung angelegt. In Abhängigkeit von der angelegten Steuerspannung lässt sich die Temperatur der Erwärmungseinrichtung regeln. Bei einem derartigen Sensor zeigt sich eine deutliche Drift des Messstroms in Abhängig¬ keit von der Heizleistung der Erwärmungseinrichtung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Erfassung eines Gases in einer Umgebung des Sensors anzugeben, bei dem ein zwischen Elektroden des Sensors gemessener Strom nahezu ausschließlich von der Zusammensetzung des Gases in der Umgebung des Sensors abhängt und weitestgehend unabhängig von der Heizleistung einer Erwärmungseinrichtung ist.
Eine Ausführungsform eines derartigen Sensors zur Erfassung eines Gases in einer Umgebung des Sensors ist im Patentanspruch 1 angegeben. Der Sensor umfasst eine Transportschicht zum Transport von Ionen, wobei die TransportSchicht ab einer Temperatur für die Ionen leitfähig ist. Des Weiteren weist der Sensor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die zueinander beabstandet angeordnet und durch die TransportSchicht voneinander getrennt sind. Der Sensor um- fasst darüber hinaus eine Erwärmungseinrichtung zum Erwärmen der TransportSchicht auf die Temperatur, ab der die Trans¬ portschicht leitfähig wird. Weiterhin weist der Sensor eine steuerbare Strom- oder Spannungsquelle zum Erzeugen einer SteuerSpannung zum Steuern einer Temperatur der Erwärmungseinrichtung auf. Die Strom- oder Spannungsquelle ist an die Erwärmungseinrichtung angeschlossen. Der Sensor kann eine weitere steuerbare Strom- oder Spannungsquelle zum Anlegen eines ersten Potenzials an die erste Elektrode und zum Anle¬ gen eines zweiten von dem ersten Potenzial verschiedenen Potenzials an die zweiten Elektrode aufweisen. Beim Anlegen des ersten Potentials an die erste Elektrode und beim Anlegen des zweiten Potentials an die zweite Elektrode tritt ein Ionen¬ strom von der ersten Elektrode durch die TransportSchicht zu der zweiten Elektrode auf, wenn die erste und zweite Elektro¬ de mit dem Gas in Kontakt stehen. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle ist derart steuerbar, dass an der Erwärmungs- einrichtung ein zeitlich gemitteltes Spannungspotenzial von
0 V oder das Spannungspotenzial der ersten Elektrode anliegt.
Zum Pumpen von Sauerstoffionen wird die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode derart erzeugt, dass die erste Elektrode als Kathode und die zweite Elektrode als Anode betrieben wird. Wenn die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle zum Erzeugen der Steuerspannung für die Erwärmungseinrichtung die SteuerSpannung derart erzeugt, dass die mittlere Spannung beziehungsweise das mittlere Spannungs- potenzial an der Erwärmungseinrichtung größer ist als die
Spannung/das Spannungspotenzial an der Anode, zeigen die Io¬ nen, insbesondere Sauerstoffionen, die Tendenz, zu der höhere Spannung beziehungsweise zu dem höheren Spannungspotenzial der Erwärmungseinrichtung zu wandern anstatt sich zur Anode zu bewegen und von dort wieder in die Umgebung des Gases einzutreten .
Um zu verhindern, dass die Ionen von der Kathode unmittelbar zur Erwärmungseinrichtung wandern können, kann zwischen der TransportSchicht und der Erwärmungseinrichtung eine Schutzschicht vorgesehen sein. Die Schutzschicht ist derart ausge¬ bildet, dass sie für einen Transport der Ionen einen höheren Widerstand als die TransportSchicht aufweist. Die Schutz¬ schicht kann beispielsweise für Sauerstoffionen unpassierbar sein. Aufgrund der Tendenz der Ionen zu dem höheren Spannungspotenzial der Erwärmungseinrichtung zu wandern, können sich die Ionen an der Schutzschicht anlagern und einen leitfähigen Kanal der TransportSchicht zwischen Kathode und Anode abschnüren .
Erfindungsgemäß erzeugt die steuerbare Strom- oder Spannungs- quelle zum Erzeugen der Steuerspannung für die Erwärmungseinrichtung an der Erwärmungseinrichtung ein mittleres Spannungspotenzial von 0 V. Dadurch wird verhindert, dass die Io¬ nen in der TransportSchicht von einem positiven Spannungspo¬ tenzial der Erwärmungseinrichtung angezogen werden, das höher ist als das Spannungspotenzial an der Anode.
Alternativ dazu kann die steuerbare Strom- oder Spannungs¬ quelle zur Steuerung der Erwärmungseinrichtung die Steuerspannung derart erzeugen, dass das an der Erwärmungseinrich- tung erzeugte Spannungspotenzial dem Spannungspotenzial der ersten Elektrode, das heißt dem Spannungspotenzial der Katho¬ de, entspricht. Da das Spannungspotenzial der zweiten Elekt¬ rode, das heißt der Anode, höher ist als das Spannungspoten¬ zial der ersten Elektrode, das heißt der Kathode, werden die Ionen bei ihrer Wanderung durch die TransportSchicht nicht von dem Spannungspotenzial der Erwärmungseinrichtung, das gemäß der alternativen Ausgestaltung dem Spannungspotenzial der Kathode entspricht, beeinflusst. Somit kann auch bei der al¬ ternativen zweiten Ausführungsform des Sensors sichergestellt werden, dass der Ionenstrom innerhalb der Transport Schicht nahezu unabhängig von der an der Erwärmungseinrichtung eingestellten Leistung ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Aus- führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 Ausführungsform eines Sensors zur Erfassung Gases in einer Umgebung des Sensors,
Figur 2 eine Ausführungsform einer steuerbare Strom- oder
Spannungsquelle zum Erzeugen einer Steuerspannung zum Steuern einer Temperatur der Erwärmungseinrich tung .
Figur 1 zeigt einen Sensor 1 zur Erfassung eines Gases G in einer Umgebung U des Sensors. Der Sensor ist insbesondere zur Erfassung eines Sauerstoffgehalts in einer Umgebung des Sensors ausgebildet. Der Sensor umfasst eine Transport Schicht 10 zum Transport von Ionen I, insbesondere von Sauerstoffionen . Die TransportSchicht 10 ist ab einer bestimmten Temperatur für die Ionen I leitfähig. Die TransportSchicht 10 kann bei¬ spielsweise Yttrium dotiertes Zirkonoxid enthalten. In der TransportSchicht 10 ist eine erste Elektrode 21 und eine zweite Elektrode 22 angeordnet. Zum Erwärmen der TransportSchicht 10 auf die Temperatur, ab der die TransportSchicht 10 für die Ionen I leitfähig wird, ist eine Erwärmungseinrichtung 30 vorgesehen. Die Erwärmungseinrichtung 30 kann als ein Heizdraht, beispielsweise als ei¬ ne Platinwendel, ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Steu- erspannung lässt sich die Heizleistung der Erwärmungseinrichtung 30 regeln. Der Sensor 1 weist dazu eine steuerbare
Strom- oder Spannungsquelle 40 zum Erzeugen einer Steuerspannung zum Steuern einer Temperatur der Erwärmungseinrichtung 30 auf. Die Strom- oder Spannungsquelle 40 ist an die Erwär- mungseinrichtung 30 angeschlossen.
Zum Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen die erste Elektrode 21 und die zweite Elektrode 22 ist eine steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 50 vorgesehen. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 50 ist derart ausgebildet, dass zwischen der ersten und zweiten Elektrode 21, 22 eine Span- nungsdifferenz derart erzeugbar ist, dass die erste Elektrode 21 als Kathode und die zweite Elektrode 22 als Anode betreib¬ bar ist. Zwischen der TransportSchicht 10 und der Erwärmungseinrichtung 30 ist eine Schutzschicht 60 vorgesehen. Die Schutz¬ schicht 60 ist dazu ausgebildet, für einen Transport von Io¬ nen I einen höheren Widerstand als die TransportSchicht 10 aufzuweisen. Die Schutzschicht 10 kann beispielsweise als ei- ne Aluminiumoxid-Schicht ausgebildet sein, durch die Sau¬ erstoffionen nicht hindurchwandern können. Zwischen der
Elektrode 21 und einer Umgebung U, in der das Gas G vorhanden ist, kann eine Diffusionsbarriereschicht 70 angeordnet sein. Die erste Elektrode 21 ist somit zwischen der Diffusionsbar- riere- schicht 70 und der Schutzschicht 60 angeordnet und in die TransportSchicht 10 eingebettet. Die Erwärmungseinrichtung 30 ist auf einem Substrat 80 angeordnet. Der in Figur 1 dargestellte Sensor kann beispielsweise zur
Messung einer Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt eine Ab¬ gasrückführung angeordnet sein. Bei einer derartigen Anwendung kann der Sauerstoffgehalt in dem Gas G nach Einmündung der Abgasrückführung in die Umgebung U beispielsweise zwi- sehen 10 % und 21 % betragen. Der Sensor wird derart geregelt, dass eine Sauerstoffkonzentration im Bereich der Kathode 21 ungefähr Null ist. Sauerstoffmoleküle des Gases G dif¬ fundieren daher aus der Umgebung U durch die Diffusionsbarriereschicht 70 zur Kathode 21. An der aus porösem Platin ausgebildeten Kathode 21 nimmt ein Sauerstoffmolekül vier Elektronen auf und wird dadurch zum Sauerstoffion .
Aufgrund der Dotierung der Transportoxidschicht, beispiels¬ weise einer Schicht aus Zirkonoxid, die mit 8 % Yttriumoxid dotiert sein kann, entstehen Fehlstellen im Gitter der Transportschicht 10, die eine Sauerstoff-Ionendiffusion zulassen. Wenn von der steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 50 eine Spannungsdifferenz derart an die Elektrode 21 und die Elektrode 22 angelegt wird, dass die Elektrode 21 als Kathode und die Elektrode 22 als Anode betrieben wird, werden die negativ geladenen Ionen I von der Anode 22 angezogen. Sie wandern im Idealfall durch die ionenleitfähige TransportSchicht 10, die durch die Erwärmungseinrichtung 10 auf eine bestimmte Tempe¬ ratur, beispielsweise auf eine Temperatur von mehr als 650 °C erwärmt ist, zur Anode 22. Die Ionen rekombinieren in der aus porösem Platin gebildeten Anode und werden als Sauerstoffmo- leküle wieder in die Umgebung U des Gases G abgegeben.
Der Ionenstrom durch die TransportSchicht 10 ist umso höher, je höher der Sauerstoffgehalt beziehungsweise der Sauerstoff- partialdruck im Gas G ist. Zur Messung des Ionenstroms, der ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Gas G ist, kann ein
Strommesser 90 im Stromkreis zwischen der steuerbare Stromoder Spannungsquelle 50 und den Elektroden 21, 22 angeordnet sein . Es zeigt sich, dass bei einer Sensoranordnung, bei der von der steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 eine Steuer¬ spannung für die Erwärmungseinrichtung 30 derart erzeugt wird, dass die mittlere Spannung an der Erwärmungseinrichtung 30 größer als das Spannungspotenzial an der Anode 22 ist, ei- ne deutliche Drift des Messstroms auftritt. Der mit dem
Strommesser 90 festgestellte Messstrom ist somit nicht nur von der Sauerstoffkonzentration im Gas G abhängig, sondern auch von der eingestellten Heizleistung beziehungsweise dem an der Erwärmungseinrichtung 30 in Relation zur Anode 22 an- gelegten Spannungspotenzial.
Wenn beispielsweise von der steuerbare Strom- oder Spannungs¬ quelle 50, an die Kathode 21 ein Spannungspotenzial von 2,1 V und an die Anode 22 ein Spannungspotenzial von 2,5 V angelegt wird und von der steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 an die Erwärmungseinrichtung 30 ein mittleres Spannungspotenzial zwischen 6 V und 11 V angelegt wird, werden die Sauerstoffio- nen I trotz der Schutzschicht 60 stärker von der Erwärmungs¬ einrichtung 30 als von der Anode 22 angezogen. Die Schutzschicht 60 verhindert abgesehen von einem kleinen Ionenstrom aufgrund von Fehlstellen zwar einen unmittelbaren Ionenstrom zur Erwärmungseinrichtung 30 hin, jedoch bilden sich oberhalb der Schutzschicht 60 Sauerstoffreservoirs 100, die ein Pumpen der Sauerstoffionen zur Anode 22 hin erschweren.
Dadurch wird die Kraft der Ionenpumpe verringert. Die sehr hohe elektrische Feldstärke zwischen der Erwärmungseinrichtung und der eigentlichen Pumpzelle führt im Weiteren zur Zerstörung beziehungsweise Beschädigung der Y-ZrC>2-Struktur der TransportSchicht 10, wodurch diese dauerhaft geschädigt wird. Beide Effekte führen letztendlich zu einer Abnahme des Pump- beziehungsweise Messstroms und somit zu einer Drift des Ausgangssignals .
Erfindungsgemäß wird das Spannungspotenzial an der Erwär¬ mungseinrichtung 30 von der steuerbaren Strom- und Spannungs- quelle 40 derart eingestellt, dass eine Vorzugsrichtung der Sauerstoffionenbewegung zur Anode 22 hin sichergestellt und eine Pumpwirkung der Erwärmungseinrichtung 30 verhindert wird. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 kann die Erwärmungseinrichtung 30 dazu derart ansteuern, dass an der Erwärmungseinrichtung 30 ein zeitlich gemitteltes Potential von 0 V anliegt. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein eine Wechsel¬ spannung zu erzeugen. Die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, die Wech- selspannung derart zu erzeugen, dass an der Erwärmungseinrichtung 30 abwechselnd ein positives und negatives Potential gleichen Pegels anliegt. Dadurch tritt an der Erwärmungseinrichtung 30 ein mittleres Potential von 0 V auf. Die steuer¬ bare Strom- oder Spannungsquelle 40 kann als SteuerSpannung beispielsweise eine pulsweitenmodulierte Spannung erzeugen. Figur 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der steuerbaren Strom- oder Spannungsquelle 40 als Vollbrückenschaltung, insbesondere als eine H-Vollbrückenschaltung . Die Vollbrückenschaltung weist einen Strompfad 41 und einen Strompfad 42 auf, die zwischen ein positives Versorgungspotenzial VDD und ein negatives Versorgungspotenzial VSS geschaltet sind. In dem Strompfad 41 sind steuerbare Schalter 43 und 44 angeord¬ net. In dem Strompfad 42 sind steuerbare Schalter 45 und 46 angeordnet. Die steuerbaren Schalter können beispielsweise als Transistoren ausgebildet sein. Eine erste Seite der Er¬ wärmungseinrichtung 30 ist an den Strompfad 41 und ein zweite Seite der Erwärmungseinrichtung 30 ist an den Strompfad 42 angeschlossen. Die erste Seite der Erwärmungseinrichtung 30 ist zwischen den steuerbaren Schalter 43 und 44 an den Strom- pfad 41 angeschlossen. Die zweite Seite der Erwärmungseinrichtung 30 ist am Strompfad 42 zwischen dem steuerbaren Schalter 45 und dem steuerbaren Schalter 46 angeschlossen.
Mittels der Vollbrückenschaltung lässt sich in Bezug auf eine Seite der Erwärmungseinrichtung abwechselnd ein positives und negatives Spannungspotenzial gleichen Pegels an die Erwär¬ mungseinrichtung 30 anlegen. Zur Erzeugung eines positiven Spannungspotenzials werden beispielsweise die steuerbaren Schalter 43 und 46 leitend und die steuerbaren Schalter 44 und 45 gesperrt gesteuert. Zum Anlegen eines negativen Span¬ nungspotentials gleichen Pegels werden nachfolgend die steu¬ erbaren Schalter 43 und 46 gesperrt und die steuerbaren
Schalter 44 und 45 leitend gesteuert. Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsform des Sensors angegeben, mit dem ebenfalls verhindert werden kann, dass Sauerstoffionen von einem Spannungspotenzial der Erwärmungs¬ einrichtung 30 angezogen werden, das größer ist als das Spannungspotenzial an der Anode. Gemäß dieser weiteren Ausfüh- rungsform des Sensors kann die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle 40 die SteuerSpannung für die Erwärmungseinrichtung 30 derart erzeugen, dass an der Erwärmungseinrichtung 30 das Spannungspotenzial der Kathode 21 anliegt. Damit weist die Anode 22 das höchste Spannungspotenzial der Anordnung auf, so dass die Ionen von der Kathode zur Anode gezogen wer¬ den. Mit beiden der genannten Ausführungsformen des Sensors kann sichergestellt werden, dass das höchste elektrische Spannungspotenzial an der Anode 22 gegeben ist, wohin die Sauerstoffionen bestimmungsgemäß gepumpt werden.

Claims

Sensor zur Erfassung eines Gases in einer Umgebung des Sensors, umfassend:
- eine TransportSchicht (10) zum Transport von Ionen
(I), wobei die TransportSchicht (10) ab einer Tempera¬ tur für die Ionen (I) leitfähig ist,
- eine erste Elektrode (21) und eine zweite Elektrode (22), die durch die TransportSchicht (10) beabstandet zueinander angeordnet sind,
- eine Erwärmungseinrichtung (30) zum Erwärmen der
TransportSchicht (10) auf die Temperatur,
- eine steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) zum Erzeugen einer Steuerspannung zum Steuern einer Temperatur der Erwärmungseinrichtung (30), wobei die Stromoder Spannungsquelle (40) an die Erwärmungseinrichtung (30) angeschlossen ist,
- eine weitere steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (50) zum Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen die erste und zweite Elektrode (21, 22),
- wobei durch Anlegen eines ersten Spannungspotenzials an die erste Elektrode (21) und durch Anlegen eines zweiten von dem ersten Spannungspotenzial verschiede¬ nen Spannungspotenzials an die zweiten Elektrode (22) ein Ionenstrom von der ersten Elektrode (21) durch die TransportSchicht (10) zu der zweiten Elektrode (22) auftritt, wenn die erste und zweite Elektrode (21, 22) mit dem Gas (G) in Kontakt stehen,
- wobei die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) derart steuerbar ist, dass an der Erwärmungseinrichtung (30) ein zeitlich gemitteltes Spannungspotenzial von Null Volt oder das Spannungspotenzial der ersten Elektrode (21) anliegt. 2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) dazu ausgebildet ist, eine Wechsel¬ spannung zu erzeugen. Sensor nach Anspruch 2, wobei die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) dazu ausgebildet ist, die Wechsel¬ spannung derart zu erzeugen, dass an der Erwärmungseinrichtung (30) abwechselnd ein positives und negatives Spannungspotenzial gleichen Pegels anliegt.
Sensor nach Anspruch 3, wobei die steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (40) dazu ausgebildet ist, eine pulswei- tenmodulierte Spannung zu erzeugen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die steu¬ erbare Strom- oder Spannungsquelle (40) als eine Voll- brückenschaltung, insbesondere eine H-Vollbrückenschal- tung, ausgebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wei¬ tere steuerbare Strom- oder Spannungsquelle (50) derart ausgebildet ist, dass die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode (21, 22) derart erzeug¬ bar ist, dass die erste Elektrode (21) als Kathode und die zweite Elektrode (22) als Anode betreibbar ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:
- eine Schutzschicht (60), die für einen Transport von Ionen (I) einen höheren Widerstand als die Transport¬ schicht (10) aufweist,
- wobei die Schutzschicht (60) zwischen der Transport¬ schicht (10) und der Erwärmungseinrichtung (30) angeordnet ist, wodurch die Erwärmungseinrichtung (30) von der TransportSchicht (10) getrennt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- wobei die Erwärmungseinrichtung (30) einen Heizdraht aufweist ,
- wobei die TransportSchicht (10) Yttrium dotiertes
Zirkonoxid enthält.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend:
- eine Diffusionsbarriereschicht (70),
- wobei die erste Elektrode (21) zwischen der Diffu¬ sionsbarriereschicht (70) und der Schutzschicht (60) angeordnet und in die TransportSchicht (10) eingebet¬ tet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei der Sensor (1) als ein Sauerstoffsensor ausge¬ bildet ist,
- wobei die TransportSchicht (10) zum Transport von Sau erstoffionen (I) ausgebildet ist.
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