JP2017514129A - ガスのパラメータを検出するための装置、当該装置の動作方法、及び、ガスのパラメータを特定するための測定システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス（３０６）のパラメータを検出するための装置（１００）に関する。当該装置（１００）は、外部空間（１０８）からのガス（３０６）を収容する少なくとも一つのキャビティ（１０４）と、キャビティ（１０４）と外部空間（１０８）とを分離する少なくとも一つの隔膜（１０６）とを備えている。外部空間（１０８）に面する、隔膜（１０６）の第１の面（１１０）は、導電性材料の第１の層（１１４）を有しており、キャビティ（１０４）に面し、第１の面（１１０）とは反対側に位置する、隔膜（１０６）の第２の面（１１２）は導電性材料の第２の層（１１６）を有しており、隔膜（１０６）の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含む。当該装置はさらに、隔膜（１０６）に配置されている、キャビティ（１０４）内のガス圧を検出するための、少なくとも一つの圧力測定素子（１１８）を備えている。

Description

従来技術
本発明は、ガスのパラメータを検出するための装置と、ガスのパラメータを特定するための測定システムと、ガスのパラメータを検出するための装置の動作方法と、対応する装置と、対応するコンピュータプログラムとに関する。

酸素又は窒素酸化物を検出するための排ガスセンサは、今日では、実質的に主に、セラミック技術又はＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ 低温同時焼成セラミックス）で製造されている。イオン導体として用いられる活性層は、ここでは、多くの場合、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から製造されており、別の層、例えばアルミニウム酸化物をベースにした絶縁層又は例えばＰｔを含む導電性層と組み合わせられる。ここで、このＰｔは、金属ペースト印刷を介して構造化され、焼きつけられる。

電解質を通るイオンの流れと電流とが比例する、固体電解質をベースにしたマイクロメカニカルセンサの構築コンセプトも存在する。

さらに、変形可能な隔膜を介して、極めて高い分解能で、小さい圧力差又は絶対圧も測定することができる圧力センサが公知である。ここで、この絶対圧の測定では、一定量のガスが閉じ込められた気密性のキャビティが使用される。特に、センサでの使用に適するであろうキャビティの製造のための公知のプロセスは、例えばＡＰＳＭプロセス又はＳＯＩをベースにしたプロセスである。

独国特許出願公開第１０２００４０３６０３２号明細書（DE102004036032A1）は、半導体素子の製造方法を開示しており、ここでは、半導体担体上に被着された第１のエピタキシャル層によって、隔膜が、半導体担体内の領域の上方に、第１のドーピングで生成され、半導体担体上に被着された第２のエピタキシャル層によって、パターニングされた安定化素子が、半導体担体に取り付けられる。

独国特許出願公開第１０２００４０３６０３２号明細書

本発明の開示
このような従来技術を背景にして、本願で提示されるアプローチによって、各独立請求項に記載された、ガスのパラメータを検出するための装置と、ガスのパラメータを特定するための測定システムと、ガスのパラメータを検出するための装置の動作方法と、当該方法を使用する装置と、対応するコンピュータプログラムとが提示される。有利な構成は、各従属請求項及び後続の説明に記載されている。

ガスを収容するキャビティを備えた、ガスのパラメータを検出するための装置は、導電性材料からなる二つの層を、キャビティを覆っているイオン伝導性隔膜の相互に反対側の面に有しており、さらに、この装置は、隔膜に配置されている圧力測定素子を備えている。従って、圧力センサとガスセンサとを含む、組み合わせられたセンサが実現される。ここで、このガスセンサは、導電性材料を含む二つの層の間の電圧をベースにしている。

本願に記載されたコンセプトに従って構築されたセンサ装置によって、ガスの検出が改善される。ガスは、イオン伝導性材料によって直接的に測定されても、間接的に測定されてもよい。即ち、このガスは、例えば、特に車両等の排気ガス内の酸素又は有害ガス、例えば窒素酸化物である。

本願で提示されるアプローチの発展形態では、特に、低いガス濃度の瞬時の測定の代わりに、必要なコストが低い、時間に亘って積分を行う測定様式が実現される。これによって、瞬時の濃度を検出する代わりに、積分値、例えば、特定の走行距離を介した検出を要求する現行の排ガス規準が考慮される。本願で提案されるコンセプトに従って実現されたセンサ装置においても、導電性層間の電流が用いられる。これは、増幅及び／又は遮蔽を必要としない。これによって、後続する測定のコストを格段に低減することができる。

提案されるコンセプトはさらに、センサの消費電力及び加熱時間の低減を可能にする。これは例えば、装置の動作時に、イオン伝導性の層だけが加熱部を介して動作温度にされるべきであり、結合体としてのセンサは、加熱部を介して動作温度にされるべきではないということによって実現される。これによって可能になる、極めて迅速な高温加熱によって、センサの組み込み箇所を自由に選択することが可能になり、例えば、装置のハウジングにとって不利な、車両内燃機関の高い排ガス温度がさらに排除される。さらなる利点として、提案されるコンセプトの発展形態では、イオン伝導性素子において、導電性層を電極として及び加熱構造体として使用することによって、低いコストと高い信頼性とを有する、格段に簡易化された構造が可能になる。

ガスのパラメータを検出するための装置が提示される。この装置は、以下の特徴、即ち、
外部空間からのガスを収容する少なくとも一つのキャビティと、
このキャビティと外部空間とを分離する少なくとも一つの隔膜と、
を備えている。外部空間に面する、隔膜の第１の面は、導電性材料の第１の層を有しており、キャビティに面し、この第１の面とは反対側に位置する、隔膜の第２の面は、導電性材料の第２の層を有しており、隔膜の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含んでいる。さらにこの装置は、キャビティ内のガス圧を検出する、隔膜に配置された少なくとも一つの圧力測定素子を備えている。

この装置は、例えば車両の排ガス内のガス濃度を特定するためのセンサ装置である。このために、ガスの一つ又は複数のパラメータが検出される。これは例えば、ガスをキャビティ内に圧送するために必要なポンピング電流の大きさ、及び／又は、キャビティ内に存在するガスのガス圧である。この少なくとも一つのキャビティは、装置の個々の素子を担う基板内に凹部の形態で配置可能である。これは例えば、基板の表面で行われるエッチング過程によって行われる。外部空間は、キャビティの外側の環境であり得る。外部空間は、隔膜と装置のハウジングとの間に、又は、これを越えて延在し得る。大気圧がこの外部空間を占める。キャビティ内のガス圧に応じて、反りを、外部空間の方向に形成するために、弾性変形を可能にする材料から隔膜を製造及び形成することができる。特に隔膜を、イオン伝導性の材料によって形成することができ、これによって、外部空間からキャビティへの及びその逆のガスの拡散が可能になる。導電性材料の第１の層と第２の層とは金属層であり、この金属層に、自身に配置された電気的なコンタクト端子を介して電位が与えられる、及び／又は、この金属層において、このコンタクト端子を介して電位が検出される。圧力測定素子は、例えば、外部空間に面する、隔膜の面に配置及び形成することが可能である。これによってガス圧が圧電式に又はピエゾ抵抗式に検出される。例えば、圧力測定素子はひずみゲージであり、又は、圧力測定素子はひずみゲージを含んでいる。

装置の、ある実施形態では、第１の層と第２の層との間に電圧が印加されているときに、隔膜を通じてガスを圧送するように、導電性材料の第１の層と、隔膜と、導電性材料の第２の層とが構成されている。選択的又は付加的に、隔膜を通じたガスの拡散時に、第１の層と第２の層との間に電圧を生成するために、導電性材料の第１の層と、隔膜と、導電性材料の第２の層とが構成される。従って、容易に、外部空間からキャビティへ、及び／又は、キャビティから外部空間へガスを圧送するためのポンピング電流を検出することによって、並びに、選択的又は付加的に、ガスの拡散に基づく電圧を測定することによって、ガスの組成を推測することができる。

特に、導電性材料の第１の層及び／又は導電性材料の第２の層は、ガスを通す貴金属を含んでいる。従って、有利には、隔膜又は隔膜のイオン伝導性部分のガス透過性が得られる。

さらなる実施形態では、導電性材料の第１の層及び／又は導電性材料の第２の層は、第１の電気的なコンタクト端子と第２の電気的なコンタクト端子とを備えており、かつ、第１の電気的なコンタクト端子と第２の電気的なコンタクト端子との間の電流に基づいて、隔膜の少なくとも一つの部分を加熱するように、相応に構成される。隔膜の加熱に必要な熱は、第１の電気的なコンタクト端子と第２の電気的なコンタクト端子とに、異なる電位を加えることによって容易に生成される。従って、装置内の加熱素子を省くことができ、これによって、コストと構造空間とが節約される。

特に、圧力測定素子を、隔膜の、加熱されるべき部分の外側に配置することができる。このようにして、圧力測定素子の測定機能が、温度変動又は圧力測定素子に被害を与える温度によって妨害されないことを容易に保証することができる。

特別な実施形態では、導電性材料の第１の層及び／又は導電性材料の第２の層は、メアンダ状に形成され、例えば、隔膜の第１の面と第２の面とに対して実質的に平行な平面は、メアンダ状に延在し得る。特に、隔膜の一部分を加熱するのに使用される導電性材料の層は、メアンダ状の延在を呈している。従って、容易かつロバストに、隔膜の最適な加熱のために、延長された加熱区間が提供される。さらに、導電性材料の層にガスを透過させない材料を使用する場合には、ガスの透過に対して、空白の領域が設けられる。

装置は、隔膜の撓みを制限するストッパ素子を備え得る。このストッパ素子は、特に、キャビティの底面に配置され得る。この実施形態によって、容易かつ低コストに、隔膜の損傷を回避することができる。

さらなる実施形態では、この装置は、少なくとも一つの、第２の圧力測定素子を備え得る。この第２の圧力測定素子は、上記の圧力測定素子の位置とは異なる、隔膜の別の位置に配置可能である。このようにして、隔膜の異なる位置でガス圧を検出することによって、キャビティ内にあるガス圧をさらに正確に特定することができる。特に、上記圧力測定素子の検出方向は、別の圧力測定素子の検出方向とは異なっている。検出方向とは、圧力測定素子が、測定量の検出時に、物理的及び／又は化学的な変化を受ける方向のことである。圧力測定素子が例えば、ひずみゲージとして構成されている場合には、検出方向は、ひずみゲージのひずみ方向に相当する。このような実施形態のこのような特別な発展形態は、ガス圧の、さらに、正確な特定を可能にする。

特別な実施形態では、この装置は、外部空間からのガスを収容する、少なくとも一つの別のキャビティと、この別のキャビティと外部空間とを分離する、少なくとも一つの別の隔膜と、この別のキャビティ内のガス圧を検出する、隔膜に配置されている、少なくとも一つの別の圧力測定素子とを備え得る。ここで、外部空間に面する、別の隔膜の第１の面は、導電性材料の、別の第１の層を有することができ、別のキャビティに面し、上記の第１の面とは反対側に位置する、別の隔膜の第２の面は、導電性材料の、別の第２の層を有することができる。別の隔膜の、少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含み得る。このような実施形態によって、二つのセンサ要素又は二つよりも多くのセンサ要素をこの装置に集積することができる。これらのセンサ要素が相互に依存せずに、測定過程に使用されることによって、容易に、個々のセンサ要素の機能検査を行うことが可能になる。特に、時間的にずらされた、及び／又は、ローテーション形式の、個々のセンサ要素の使用によっても、ガスを検出する、時間に亘って積分を行う様式が実現可能である。

さらに、ガスのパラメータを特定するための測定システムが提示される。この測定システムは、以下の特徴、即ち、
上述した実施形態のうちの一つに即した装置と、
導電性材料の第１の層及び／又は導電性材料の第２の層及び／又は圧力測定素子と結合されており、かつ、少なくとも、第１の層及び／又は第２の層の電位に基づいて、及び／又は、キャビティ内の、圧力測定素子によって検出されたガス圧に基づいて、ガスのパラメータを特定するように構成されている評価装置と、
を備えている。

電位とガス圧とに交互に基づいて、又は、電位とガス圧とに同時に基づいて、ガスを特定するように、評価装置を構成することができる。特に、時間的な積分を行う測定の場合に、所定の時間に亘って、例えば車両の１回の走行に亘って、ガスの特定を繰り返し実行するように、評価装置を構成することができる。

さらに、ガスのパラメータを検出するための装置の動作方法を提示する。この装置は、外部空間からのガスを収容する少なくとも一つのキャビティと、キャビティと外部空間と分離する少なくとも一つの隔膜と、キャビティ内のガス圧を検出する、隔膜に配置されている、少なくとも一つの圧力測定素子とを備えている。外部空間に面する、隔膜の第１の面は、導電性材料の第１の層を有しており、キャビティに面し、第１の面とは反対側に位置する、隔膜の第２の面は、導電性材料の第２の層を有しており、隔膜の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含んでいる。この方法は、以下のステップ、即ち、
隔膜を通じて、外部空間からキャビティにガスを圧送するために、第１の層と第２の層との間に電圧を印加するステップと、
ガスのパラメータを検出するために、少なくとも、第１の層及び／又は第２の層において、及び／又は、圧力測定素子において、電気的な変数を検出するステップと、
を含む。

第１の層及び／又は第２の層において検出される場合、電気的な変数とは、例えば、隔膜を通じてガスを圧送するためのポンピング電流の電流強度である。圧力測定素子において電気的な変数が検出される場合、これは、圧力測定素子の弾性変形に基づく電圧のことである。

ある実施形態では、この方法はさらに、隔膜を通じてキャビティから外部空間にガスを圧送するために、第１の層と第２の層との間に電圧を、再度印加するステップを含む。さらに、この方法は、対応して、ガスのパラメータを、再度検出するために、少なくとも、第１の層及び／又は第２の層において、及び／又は、圧力測定素子において、電気的な変数を、再度検出するステップを含む。このような実施形態は、容易に、低コストかつ柔軟に、時間に亘って積分を行う、ガス又はガス組成の特定を可能にする。

別の実施形態では、装置のこの動作方法は、パルス幅変調方法として実行される。ここで、第１の層と第２の層との間に電圧を印加するステップと、隔膜の一部分を加熱するために、第１の層又は第２の層に亘って電圧を印加するステップとが交互に実行される。従って、この方法によって、有利に組み合わせられた、隔膜の加熱と、ガスの測定値特定とが、同一の測定素子によって実行される。

本願で提示されたアプローチは、さらに、本願に提示された方法の変形のステップを、相応する設備において実施する又は実行するように構成された装置を実現する。装置の形態での、本発明のこのような実施形態によっても、本発明の基礎となる課題が、迅速かつ効率的に解決可能である。

装置とは、本発明では、センサ信号を処理し、このセンサ信号に基づいて、制御信号及び／又はデータ信号を出力する電気的な機器のことであり得る。装置は、インタフェースを備え得る。このインタフェースは、ハードウェアの形態で及び／又はソフトウェアの形態で、形成され得る。ハードウェアの形態で形成される場合には、インタフェースは、例えば、装置の種々の機能を含む、いわゆるシステムＡＳＩＣの一部であり得る。しかし、インタフェースが、固有の集積された回路であっても、少なくとも部分的に、別個の構成素子から成っていてもよい。ソフトウェアの形態で形成されている場合には、インタフェースは、例えばマイクロコントローラ上に別のソフトウェアモジュールの隣に存在しているソフトウェアモジュールであってよい。

コンピュータプログラム製品又はプログラムコードを有するコンピュータプログラムも有利である。このプログラムコードは、機械的に読み取り可能な担体又は記憶媒体、例えば半導体メモリ、ハードディスクメモリ又は光学的なメモリに格納されていてよく、かつ、上述した実施形態のうちの一つに即して、方法のステップを実施、実行及び／又は駆動制御するために使用される。これは特に、このプログラム製品又はプログラムが、コンピュータ又は装置上で実行される場合である。

本願で提示されたアプローチを、次に、添付の図面に基づいて、例として詳細に説明する。

本発明の装置の実施例に即した、ガスのパラメータを検出するための装置の横断面図。 本発明の別の実施例に即した、ガスのパラメータを検出するための装置の平面図。 本発明の実施例に即した、ガスのパラメータを特定するための測定システムのブロック回路図。 本発明の実施例に即した、ガスのパラメータを検出するための装置の動作方法のフローチャート。

本発明の有利な実施例の後述する説明では、種々の、図示された、類似の作用を有する要素に、同一又は類似の参照番号が付されている。ここでは、これらの要素の説明は繰り返されない。

図１は、概略図で、本発明の実施例に即した、ガスのパラメータを検出するための装置１００の横断面を示している。装置１００は、例えば、車両内に組み込まれており、車両の排ガス内の有害ガスの濃度を検出するために構成される。従って、この装置１００は、センサ装置、又は、センサとも称され得る。装置１００は、基板１０２を備えており、この基板内にチャンバ又はキャビティ１０４が設置されている。キャビティ１０４は隔膜１０６によって被覆されている。従って、隔膜１０６は、キャビティ１０４と外部空間１０８とを分離する。隔膜１０６の第１の面１１０は、外部空間１０８に面しており、この第１の面１１０とは反対側に位置する、隔膜１０６の第２の面１１２は、キャビティ１０４に面している。隔膜１０６の第１の面１１０は、導電性材料の第１の層１１４を有しており、隔膜１０６の第２の面１１２は、導電性材料の第２の層１１６を有している。導電性材料の第１の層１１４と間隔を空けて、キャビティ１０４内のガス圧を検出する圧力測定素子１１８が、隔膜１０６の第１の面１１０に配置されている。従って、圧力測定素子１１８は、装置１００の圧力センサ素子を形成する。

装置１００の、図１に示された実施例では、基板１０２は、シリコンから形成されている。選択的に、ＭＥＭＳ技術に適した他の材料も使用可能である。キャビティ１０４を提供する他に、特に基板１０２は、特に隔膜１０６及び圧力測定素子１１８のための担体として用いられる。圧力測定素子１１８は、ここでは図示されていない、圧力測定に必要な他の素子も含み得る。これは、例えば温度センサ又は温度を補償する素子である。しかし、温度センサとして、センサの別の素子を使用することも可能である。これは、例えば、加熱部の抵抗、又は、加熱部として形成される層１１４若しくは１１６の抵抗である。図１に示されているように、キャビティ１０４は、例えばエッチングプロセスによって、基板１０２の表面又は主要面１２０から構築されている。このキャビティ１０４を包囲している、基板１０２の表面１２０の領域は、絶縁層１２２によって被覆されている。図１における装置１００の横断面が示しているように、キャビティ１０４は、直方体状の凹部として形成されている。これは、平坦な長方形の底面１２４と、この底面１２４に対して直角に延在する壁部１２６とを有している。キャビティ１０４は、平たく形成されている。これは、底面１２４の寸法が、壁部１２６の高さを上回ることによって実現される。

体積を小さくしつつ、隔膜１０６の大きい面積に作用を与えることができるようにするために、理想的には、チャンバ１０４はできるだけ平たく形成されている。これによって、圧送された少量のガスによって既に、大きい圧力変化がもたらされる。しかし、チャンバ壁部１２６の高さの下限は設けられている。その理由は、チャンバ底面１２４と加熱される隔膜１０６との間の距離が短すぎると、ここでも、熱伝送が生じてしまうからである。チャンバ１０６の面積と体積との比は、チャンバ１０４の高さを介してのみ定められるので、チャンバ１０４の小型化と、圧力センサ１１８の幾何学形状的な要求へのマッチングとが行われる。チャンバ又はキャビティ１０４の最小サイズは、さらに、設置（Ａｂｌａｇｅｒｕｎｇ）時にも機能を補償するために、信頼性の観点を介して、例えば、ポンプ素子に必要な最小サイズを介して設定される。

隔膜１０６は、キャビティ１０４の底面１２４に対応する長方形を呈している。この隔膜１０６の寸法は、キャビティ１０４の底面１２４の寸法よりも大きい。図１に示されているように、隔膜１０６の周縁領域は、キャビティ１０４を包囲している、基板１０２の縁部領域上で、基板１０２の絶縁層１２２に固定されており、このようにして、キャビティ１０４と外部空間１０８とを分離している。隔膜１０６は、弾性材料から形成されており、キャビティ１０４内の、外部空間１０８に対する圧力に応じて、キャビティ１０４の方向及び外部空間１０８の方向に反る。隔膜１０６を通るガスの搬送を可能にするために、隔膜１０６の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を有する。層１１４、１１６は、等しく、隔膜１０６の各面１１０、１１２の中央に、隔膜１０６が延在する平面に対して平行に位置決めされている。層１１４、１１６は、隔膜１０６のこの平面において、隔膜１０６よりも小さく、特に、キャビティ１０４よりも小さい寸法を有しており、従って、基板１０２に対して間隔が空けられている。

図１に示された実施例では、導電性材料の第１の層１１４と第２の層１１６とは、ガスを透過させる貴金属から形成されている。しかしこれは、装置１００の機能に対して、必ずしも必要ではない。実施例に即して、他の金属及び／又はガス透過性の材料並びに非金属を、層１１４、１１６に対して使用することができる。図１に示された例示的な装置１００では、導電性材料の第１の層１１４と第２の層１１６とは、電極として使用される。この電極は、隔膜１０６を通じて、外部空間１０８からキャビティ１０４に、及び／又は、キャビティ１０４から外部空間１０８に、ガスを圧送するポンピング電流を生成する。第１の層１１４と第２の層１１６とに電位を与えるために、二つの層１１４、１１６はそれぞれ、少なくとも一つの電気的なコンタクト端子１２７を備えている。選択的な実施例では、隔膜１０６を通るガスの拡散時に、第１の層１１４と第２の層１１６との間に電圧を生成するために、装置１００は、層１１４、１１６が嵌め込まれて、上述した構成で形成されている。

装置１００の、図１に示された実施例では、圧力測定素子１１８は、ひずみゲージとして、ポンピング電流に基づいている、キャビティ１０４へのガス搬送又はキャビティ１０４からのガス搬送による隔膜１０６の弾性変形に基づいて、電圧を生成するように構成及び形成されている。隔膜１０６の、キャビティ１０４の方向における撓みを制限するために、装置１００の、図１に示された実施例は、ストッパ素子１２８を備えている。ストッパ素子１２８は、図示された実施例では、隔膜１０６の方向において延在する柱の形態で、キャビティ１０４の底面１２４の中央に配置されている。この図では下方の電極を形成する第２の層１１６と基板１０２との間の短絡を回避するために、ストッパ素子１２８は、絶縁層１２２と同様に、電気的に絶縁性の材料を含み得る。選択的に、ストッパ素子を導電性に形成することができ、導電性層１１６とストッパ素子１２８との接触接続時に、例えば、圧送過程が中断される。選択的に、キャビティを次のように製造することもできる。即ち、センサの通常動作時に、導電性層１１６とストッパ素子１２８とが接触接続し、許容されない高い内部圧力に基づいて、隔膜の湾曲によって、検出可能な中断が生じるように製造することもできる。一つ又は複数の圧力測定素子の信号と、導電性ストッパ素子との接触接続とを関連付けすることによって、圧力測定素子の機能検出又は較正も行うことができる。

装置１００の、図１に示された実施例では、導電性材料の第２の層又は下方の層１１６は、隔膜１０６の平面に対して平行な平面において、メアンダ状に形成されており、ここで、付加的に、層１１４、１１６の間に位置する、隔膜１０６の部分１３０を加熱する加熱素子として使用される。第２の層１１６によって、加熱機能に必要な電流を生成するために、これは、第２の電気的なコンタクト端子１３２を備えている。図１に示されているように、圧力測定素子１１８は、隔膜１０６の、加熱されるべき部分１３０の外側に配置されている。

図１に示された例示的なセンサ１００は、隔膜１０６を備えている。この隔膜は、内部空間即ちキャビティ１０４、幾つかの実施例では、閉じられた又は制限された、拡散に対して開放されているキャビティ、の形態の別の内部空間１０４と、外部空間１０８とを分離する。センサ１００はさらに、イオン伝導性の材料を含む素子１０６を備えている。この素子は、内部空間１０４と外部空間１０８との間に配置されている。イオン伝導性材料を含む隔膜１０６の少なくとも一部１３０は、加熱されるように構成されている。ひずみゲージ１１８は、隔膜１０６の加熱される領域１３０外に配置されている。幾つかの実施例では、装置１００はさらに、別のひずみゲージ１１８を備えている。このひずみゲージは、第１のひずみゲージ１１８の位置とは異なる、隔膜１０６の別の位置に配置可能である。

隔膜１０６の形態のイオン伝導性の素子を介して、１種類のガス若しくは多数の種類のガスが、所期のように、外部空間１０８からセンサ１００の内部空間若しくはキャビティ１０４に移動する、及び／又は、センサ１００の内部空間若しくはキャビティ１０４から外部空間１０８に移動する。ガスのこの「圧送」は、内部空間１０４と外部空間１０８との間に圧力差をもたらし、この圧力差は、ここでは、ひずみゲージの形態の圧力センサ１１８によって検出される。ポンピング電流及び／又は圧力の検出時に、ガス濃度が計算される。二つのパラメータが同時に検出される場合、装置１００の機能性及び精度が、有利には拡張され、又は、組み込まれた自己テストの趣旨で、有利には検査される。

図１に示された、センサ１００の例示的な構造の横断面において、キャビティ１０４は、隔膜１０６によって被覆されている。隔膜１０６の湾曲は、測定素子１１８によって、圧電式に又はピエゾ抵抗式に検出される。ここでは隔膜１０６の中央の部分１３０が、ここでは下方の電極１１６の形態である隔膜加熱部によって加熱される。イオン伝導性の隔膜１０６の上方及び下方にある二つの電極１１４、１１６により、電流を印加することによって、ガス、特に酸素が、キャビティ１０４に、及び、キャビティ１０４から、圧送される。この際に圧力が変化し、これは、隔膜１０６の湾曲によって測定される。図１に、例として示された、装置又はセンサ１００の構造では、下方の電極１１６は、メアンダ状に形成されており、同時に、隔膜１０６のための加熱部として使用される。外部への、ガスのこのような圧送時には高いポンピング電流が流れ、従って、次の測定開始までの再生時間を短縮することができる。

イオン伝導性の素子１０６を介した閉じられたチャンバ１０４へのガスの圧送は、圧力上昇を生じさせ、この圧力上昇は、圧力測定素子１１８を介して、圧電式に又はピエゾ抵抗式に測定される。ポンピング電流と圧力とが検出される場合に、ガス濃度が測定される。センサ１００の有利な動作モードでは、ガスは、始めにチャンバ１０４に圧送され、続いてチャンバ１０４から圧送され、二つの過程が測定される。これによって、完成したセンサ１００の機能が、自己テストの趣旨で監視される。選択的に、比較的長い、正確に定められた又は測定された時間に亘って、低い濃度で外部空間１０８に存在するガスが、低い、測定困難な電流によってキャビティ１０４に圧送されてもよい。この場合には、圧力センサ１１８によって、チャンバ１０４に圧送されたガスの量が十分な精度で特定可能になるまで、ガスがチャンバ１０４内に蓄積される。この場合には、新たな測定過程の前に、内部空間１０４内のガスが再び、外部へ圧送される。ここでこのような過程は、ポンピング電流の積分の際に、即ち、流れているポンピング電荷の積分の際に、チャンバ１０４に、その前に収集されたガス量に関する付加的な情報を供給する。

本願で提示した、排ガスセンサのコンセプトでは、イオン伝導性の材料のみが、高温にされればよい。ここで、イオン伝導性の特性は、隔膜１０６又は隔膜の一部でしか必要とされないので、極めて省エネルギの加熱が実現される。このようにして、一部だけが加熱されるセンサ１００又は一部だけが加熱される薄膜隔膜１０６では、消費エネルギは、特に、従来のセラミック排ガスセンサと比較して、格段に低い。残余のセンサ素子１００は、周辺温度において、又は、一定の、しかし僅かに周辺温度を上回る温度で、動作させられ得る。これは例えば、加熱された隔膜１０６からの熱排出を介して、又は、第２の加熱を介して行われる。隔膜１０６のこのような加熱によって、さらに、チャンバ１０４内のガスの存在が特定され、場合によっては、温度変化時の種々の特性に基づいて、ガスの組成も特定される。ガスがチャンバ１０４内に存在する場合には、隔膜１０６に亘る加熱時に圧力上昇が生じ、この圧力上昇は、センサ素子１１８によって測定される。従って、この加熱によって、同時に、センサ１００の機能コントロール又は完全性コントロールを行うことができる。この場合には、所定の温度上昇が、所定の、場合によっては事前の較正を介して設定された圧力上昇を生じさせなければならない。

装置１００の、図１に示された実施例では、隔膜１０６のための加熱部は同時に、下方の電極１１６として使用される。これは、ここでは、例えばＰｔ又はＰｔ−Ｒｈ合金を含む、ガス透過性の貴金属層として第２の導電性層１１６を構成することによって、実現される。加熱機能を有する第２の導電性層１１６は、メアンダ状の形態にパターニングされており、二つの電気的な端子１２７、１３２を有する。これによって層１１６は、二つの端子１２７、１３２に異なる電位を与えることによって、加熱のために使用され、又は、二つの端子１２７、１３２に同じ電位を与えることによって、電極として使用される。圧送の目的に対しては、金属層１１６は極めて低抵抗に設計されるので、印加される加熱電圧は極めて小さくなり、この実施例では第１の導電性層１１４によって形成されている対向電極と比較して、ほぼ一定の電位を有する。これによって、隔膜１３０において、面１１２で、僅かな帯電作用又は分極作用しか生じず、測定精度への影響がより少なくなる。

パルス幅変調方法による隔膜１０６の加熱動作モードでは、アウトフェーズ（Ａｕｓ−Ｐｈａｓｅ）において、電位が下方の電極１１６に与えられ、又は、下方の電極１１６に与えられている電位が測定される。有利には、加熱部１１６の電圧供給の間、加熱されるイオン伝導層１０６と接続されている総ての電極が高抵抗に接続されており、これによって、加熱部１１６の方向への電位差による帯電作用又は分極作用が回避される。

選択的な実施例では、第２の導電性層１１６は、主に、電極として使用され、別個の加熱部が、隔膜１０６を加熱するために組み込まれる。

図２は、平面図に基づいて、ガスのパラメータを検出するための装置１００の別の実施例を示している。図示されているように、図２に示されている例示的な実施形態の基板１０２は、四つのキャビティ１０４を備えている。これらのキャビティは、方形に、相互に均等な間隔を空けて、基板１０２に形成されている。これら四つのキャビティの各々も、第１の導電性層１１４と第２の導電性層１１６とを有している、少なくとも部分的にイオン伝導性の隔膜１０６によって被覆されている。それぞれ一つのキャビティ１０４を備えている、装置１００の部分の構造は、キャビティを一つしか備えていない、図１に示された実施例の構造に相当し、同じ素子も備えている。相違点は、図２に示された例示的なセンサ１００では、各キャビティ１０４に、多数の、ここでもひずみゲージとして構成されている圧力測定素子１１８が割り当てられている、ということである。四つのキャビティ１０４を備えている装置１００の領域の各々は、いわば、センサ１００の四つの同一のセンサ要素２００の各々を形成する。

図２に示されているように、センサ１００の、一つのキャビティ１０４を備えている各領域に対して、長方形のキャビティ１０４の四つの辺それぞれの中央に、圧力測定素子１１８が一つずつ、隔膜１０６と基板１０２の絶縁層１２２との間の移行部に、各導電性層１１４と間隔を空けて配置されている。この配置に相応して、それぞれ二つの、キャビティ１０４の対向する辺に配置されているひずみゲージ１１８は、矢印によって図示されている共通の検出方向２０２を有している。この検出方向２０２は、矢印によって示されている、キャビティ１０４の別の二つの対向している辺に配置されているひずみゲージ１１８の別の共通の検出方向２０４を横切って延在している。

例えば図２に示されているようなセンサ１００は、圧力変動の補償のための使用、及び、積分方式の測定のための使用に適している。これは、例えば、センサ要素２００のうちの第１のセンサ要素が、例えば主に周辺圧力を測定し、センサ要素２００のうちの第２のセンサ要素が、又は、第２のセンサ要素及び第３のセンサ要素が、圧送によって、時間的にずらされ、しかし重畳して、ガス濃度を測定し、センサ要素２００のうちの第４のセンサ要素が空になるように圧送されることによって実現される。理想的には、これらのセンサ要素２００の機能は、所定の時間後にローテーションする。センサ要素２００のうちの一つのセンサ要素が故障した場合に、有利には、非常動作において、依然として、測定を継続することができる。

精度を向上させるために、及び、外部空間１０８の圧力変動を補償することを可能にするために、幾つかの実施例では、四つのセンサ要素２００のうちの一つ、又は、別のセンサ要素が、ポンプ機能を有していない基準圧力センサとして使用される。複数又は総てのセンサ要素２００が、同じ機能を、時間がずらされた動作において有していてもよい。この場合には例えば、センサ要素２００のうちの第１のセンサ要素はガスを自身のチャンバ１０４に圧送し、センサ要素２００のうちの第２のセンサ要素はこの時間、空になるように圧送され、センサ要素２００のうちの第３のセンサ要素が外部空間１０８における変動する圧力に対する基準素子として使用される。別の実施例では、図示されていない別の測定素子によって、少なくとも温度と排ガス流量とが測定され、これによって、排ガスの実際の流量、ひいてはガス濃度が推定される。

図２に例示的に示されたように、装置１００内に、複数の個々のセンサ又はセンサ要素２００を組み合わせることによって、測定精度が上昇する。これは、例えば、隔膜１０６を通してガスを圧送するための圧送方法及び圧力測定素子１１８による圧力測定方法を介した、各個別要素２００の相互の比較によって行われる。センサ要素２００の冗長性によって、例えば車両のオンボード診断に使用されるセンサ１００の故障時安全性が上昇する。精度のさらなる上昇のために、ここで、少なくとも一時的に、及び／又は、較正の間、幾つかの要素を、同じ動作様式（例えば、純粋な圧力測定又は所定の圧力までの圧送）で使用することもできる。これによって、各較正パラメータを、各動作様式に対して、及び、各センサ要素に対して、他の要素に対して相対的に特定し、評価装置３０２（図３を参照）のメモリ内に格納することができる。後の組み込み時に、機能性のコントロールのために、同様に、センサ要素相互間の差を確定し、この差が許容されない程度の場合には、評価ユニットが適切に対応し、例えば警報を出力することができる。

図２に例示的に示された、複数の比較的小さいチャンバ１０４又はセンサ２００を備えた装置１００の冗長的な構成は、個々の要素２００が通常動作時に交互に動作されるという上述した利点を提供する他に、センサ１００の機能検査のために、センサ要素２００を一時的に、同時に動作させることも可能にする。この機能コントロールは、同時動作の後に、個々のセンサ２００の測定結果が相互に比較されることによって行われる。圧送されて空になった後に、一つのセンサ要素２００又は総てのセンサ要素２００の内圧が極めて低い場合にも、隔膜１０６の機械的な負荷を低減させるために、装置１００の図２に示された実施例においても、キャビティ１０４内に、隔膜１０６の動きを制限するストッパ素子が配置されている（図２では、見て取ることができない）。

図３は、ガスのパラメータを特定するための、例示的な測定システム３００の基本的なブロック回路図を示している。この測定システム３００は、図１に基づいて説明された装置１００の実施例と、装置１００と結合されている評価装置３０２とを備えており、車両３０４内で、車両３０４の排ガス３０６内の有害ガス濃度を特定するために使用される。

車両３０４は、自家用車又はトラック等の、道路を走行する車両であり得る。車両３０４の配管システム３０８を介して、ガス又は排ガス３０６の部分流が分岐され、測定システム３００に導かれ、これによって、センサ１００にガス３０６が供給される。評価装置３０２は、測定システムの構成に応じて、導電性材料の第１の層及び／又は導電性材料の第２の層及び／又は装置１００の圧力測定素子に結合されており（図３には明示されていない）、少なくとも、第１の層及び／又は第２の層の電位に基づいて、及び／又は、装置１００のキャビティ内の、圧力測定素子によって検出されたガス圧に基づいて、排ガス３０６内の有害ガスの濃度を特定するように構成されている。測定システム３００は、車両３０４内の任意の箇所に配置することができ、例えば、車両３０４のエンジンルーム３１０と離隔して配置することもできる。

図１乃至図３に示された装置１００は、ＭＥＭＳ技術に基づいて小型化され、組み合わせられたガスセンサ及び圧力センサである。本願に提示されたセンサ１００の製造は、幾つかの実施例では、一部変更された圧力センサ製造プロセスを介して行われる。センサ製造時にはＡＰＳＭプロセスを使用して、多孔質材料により形成されたキャビティ１０４の空洞化が既に、イオン伝導性材料１０６の被着時及び後続のアニール時に行われる。これは、特に、イオン伝導性材料１０６、例えばＹＳＺの、被着又はアニールに対して、高い温度を用いる方法が使用される場合である。これは例えば、例えば８００℃の析出温度を有するパルス状レーザデポジション、又は、後続の、類似した温度又はさらに高い温度でのアニールステップである。

図４は、ガスのパラメータを検出するための装置の動作方法４００の実施例のフローチャートを示している。この方法４００は、上述した図１乃至図３に基づいて提示されたような、センサの動作のために構成され得る。

ステップ４０２では、センサの導電性材料の第１の層と第２の層との間に電圧が印加され、これによってガスが、第１の層と第２の層との間に配置されているイオン伝導性の隔膜を通って、外部空間から、隔膜の下方に配置されている、センサのキャビティに圧送される。ステップ４０４では、ガスのパラメータを検出するために、センサの第１の層及び／又は第２の層及び／又は、隔膜に配置されている圧力測定素子で、電気的な変数が検出される。ステップ４０６では、隔膜を通して、キャビティから外部空間にガスを圧送するために、電圧が、再度、第１の層と第２の層との間に印加される。ガスのパラメータを再度検出するために、第１の層及び／又は第２の層において、及び／又は、圧力測定素子において、電気的な変数を再度検出するステップ４０８が行われる。

ある実施形態では、この方法４００は、パルス幅変調方法として実行される。この場合には、電圧印加ステップ４０２又は再度の電圧印加ステップ４０６は、隔膜を加熱するための第１の層又は第２の層に亘った電圧印加のステップと交互に実行される。

本願で提示されたコンセプトに従って構成された、イオン伝導性材料に基づく、圧力センサとセンサとの組み合わせは、化学的なガスセンサとしての使用、特に自動車の排ガスセンサとしての使用、及び、定常的なアプリケーションに適している。主な応用の可能性は、ラムダセンサとしての使用である。これは場合によっては、窒素酸化物等の別の排ガス成分を検出するための選択的な構造を備えている。

これまでに説明された及び図示された実施例は、単に例示的なものである。種々の実施例が、完全に、又は、個々の特徴に関して、相互に組み合わせられてもよい。ある実施例に、別の実施例の特徴が付加されてもよい。

さらに、本願に提示されたステップが繰り返されても、また、記載された順番とは異なる順番で実行されてもよい。

実施例が、第１の特徴と第２の特徴との間の「及び／又は」による結合を含んでいる場合には、これは、次のように読まれるべきである。即ち、この実施例が、ある実施形態では第１の特徴も第２の特徴も備えており、別の実施形態では、第１の特徴だけ又は第２の特徴だけを備えている、というように読まれるべきである。

体積を小さくしつつ、隔膜１０６の大きい面積に作用を与えることができるようにするために、理想的には、チャンバ１０４はできるだけ平たく形成されている。これによって、圧送された少量のガスによって既に、大きい圧力変化がもたらされる。しかし、チャンバ壁部１２６の高さの下限は設けられている。その理由は、チャンバ底面１２４と加熱される隔膜１０６との間の距離が短すぎると、ここでも、熱伝送が生じてしまうからである。チャンバ１０４の面積と体積との比は、チャンバ１０４の高さを介してのみ定められるので、チャンバ１０４の小型化と、圧力センサ１１８の幾何学形状的な要求へのマッチングとが行われる。チャンバ又はキャビティ１０４の最小サイズは、さらに、設置（Ａｂｌａｇｅｒｕｎｇ）時にも機能を補償するために、信頼性の観点を介して、例えば、ポンプ素子に必要な最小サイズを介して設定される。

本願で提示されたコンセプトに従って構成された、イオン伝導性材料に基づく、圧力センサとガスセンサとの組み合わせは、化学的なガスセンサとしての使用、特に自動車の排ガスセンサとしての使用、及び、定常的なアプリケーションに適している。主な応用の可能性は、ラムダセンサとしての使用である。これは場合によっては、窒素酸化物等の別の排ガス成分を検出するための選択的な構造を備えている。

Claims (15)

1. ガス（３０６）のパラメータを検出するための装置（１００）であって、
   当該装置（１００）は、
   外部空間（１０８）からの前記ガス（３０６）を収容する少なくとも一つのキャビティ（１０４）と、
   前記キャビティ（１０４）と前記外部空間（１０８）とを分離する少なくとも一つの隔膜（１０６）と、
   前記隔膜（１０６）上に又は前記隔膜（１０６）内に配置されている、前記キャビティ（１０４）内のガス圧を検出するための少なくとも一つの圧力測定素子（１１８）と、
   を備え、
   前記外部空間（１０８）に面する、前記隔膜（１０６）の第１の面（１１０）は、導電性材料の第１の層（１１４）を有しており、前記キャビティ（１０４）に面し、前記第１の面（１１０）とは反対側に位置する、前記隔膜（１０６）の第２の面（１１２）は、導電性材料の第２の層（１１６）を有しており、
   前記隔膜（１０６）の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含み、
   特に前記圧力測定素子（１１８）は、温度測定装置も含み得る、
   ことを特徴とする、ガス（３０６）のパラメータを検出するための装置（１００）。
2. 前記第１の層（１１４）と前記第２の層（１１６）との間に電圧が印加されているときに、前記隔膜（１０６）を通じて前記ガス（３０６）を圧送するように、前記第１の層（１１４）と前記隔膜（１０６）と前記第２の層（１１６）とが構成されている、
   及び／又は、
   前記隔膜（１０６）を通じて前記ガス（３０６）が拡散しているときに、前記第１の層（１１４）と前記第２の層（１１６）との間に電圧を生成するように、前記第１の層（１１４）と前記隔膜（１０６）と前記第２の層（１１６）とが構成されている、
   請求項１に記載の装置（１００）。
3. 前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）は、第１の電気的なコンタクト端子（１２７）と第２の電気的なコンタクト端子（１３２）とを備えており、かつ、前記第１の電気的なコンタクト端子（１２７）と前記第２の電気的なコンタクト端子（１３２）との間の電流に基づいて、前記隔膜（１０６）の少なくとも一つの部分（１３０）を加熱するように構成されている、請求項１又は２に記載の装置（１００）。
4. 前記圧力測定素子（１１８）は、前記隔膜（１０６）の加熱されるべき前記部分（１３０）の外側に配置されている、請求項３に記載の装置（１００）。
5. 前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）は、メアンダ状に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
6. 前記装置（１００）は、前記隔膜（１０６）の撓みを制限するストッパ素子（１２８）を備えており、
   特に、前記ストッパ素子（１２８）は、前記キャビティ（１０４）の底面（１２４）に配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置（１００）。
7. 前記装置（１００）は、少なくとも一つの第２の圧力測定素子（１１８）を備えており、当該第２の圧力測定素子（１１８）は、前記圧力測定素子（１１８）の位置とは異なる、前記隔膜（１０６）の別の位置に配置されており、
   特に、前記圧力測定素子（１１８）の検出方向は、前記別の圧力測定素子（１１８）の検出方向とは異なっている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置（１００）。
8. 前記装置（１００）は、
   前記外部空間（１０８）からの前記ガス（３０６）を収容する少なくとも一つの別のキャビティ（１０４）と、
   前記別のキャビティ（１０４）と前記外部空間（１０８）とを分離する少なくとも一つの別の隔膜（１０６）と、
   前記隔膜（１０６）に配置されている、前記別のキャビティ（１０４）内のガス圧を検出するための少なくとも一つの別の圧力測定素子（１１８）と、
   を備え、
   前記外部空間（１０８）に面する、前記別の隔膜（１０６）の第１の面は、別の第１の層（１１４）を有しており、前記別のキャビティ（１０４）に面し、前記第１の面とは反対側に位置する、前記別の隔膜（１０６）の第２の面は、別の第２の層を有しており、
   前記別の隔膜（１０６）の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置（１００）。
9. ガス（３０６）のパラメータを特定するための測定システム（３００）であって、
   当該測定システム（３００）は、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置（１００）と、
   評価装置（３０２）と、
   を備え、
   当該評価装置（３０２）は、前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）及び／又は前記圧力測定素子（１１８）と結合されており、
   少なくとも、前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）の電位に基づいて、及び／又は、前記圧力測定素子（１１８）によって検出された前記キャビティ（１０４）内の前記ガス圧に基づいて、前記ガス（３０６）の前記パラメータを特定するように構成されている、
   ことを特徴とする、ガス（３０６）のパラメータを特定するための測定システム（３００）。
10. ガス（３０６）のパラメータを検出するための装置（１００）の動作方法（４００）であって、
    前記装置（１００）は、
    外部空間（１０８）からの前記ガス（３０６）を収容する少なくとも一つのキャビティ（１０４）と、
    前記キャビティ（１０４）と前記外部空間（１０８）とを分離する少なくとも一つの隔膜（１０６）と、
    を備え、
    前記外部空間（１０８）に面する、前記隔膜（１０６）の第１の面（１１０）は、第１の層（１１４）を有しており、前記キャビティ（１０４）に面し、前記第１の面（１１０）とは反対側に位置する、前記隔膜（１０６）の第２の面（１１２）は、第２の層（１１６）を有しており、
    前記隔膜（１０６）の少なくとも一つの部分は、イオン伝導性の材料を含み、
    前記装置（１００）はさらに、前記隔膜（１０６）に配置されている、前記キャビティ（１０４）内のガス圧を検出するための少なくとも一つの圧力測定素子（１１８）を備え、
    当該方法（４００）は、
    前記隔膜（１０６）を通じて前記外部空間（１０８）から前記キャビティ（１０４）に前記ガス（３０６）を圧送するために、前記第１の層（１１４）と前記第２の層（１１６）との間に電圧を印加するステップ（４０２）と、
    前記ガス（３０６）の前記パラメータを検出するために、少なくとも、前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）において、及び／又は、前記圧力測定素子（１１８）において、電気的な変数を検出するステップ（４０４）と、
    を含むことを特徴とする、ガス（３０６）のパラメータを検出するための装置（１００）の動作方法（４００）。
11. 前記方法（４００）はさらに、
    前記隔膜（１０６）を通じて前記キャビティ（１０４）から前記外部空間（１０８）に前記ガス（３０６）を圧送するために、前記第１の層（１１４）と前記第２の層（１１６）との間に、再度電圧を印加するステップ（４０６）と、
    前記ガス（３０６）の前記パラメータを、再度検出するために、少なくとも、前記第１の層（１１４）及び／又は前記第２の層（１１６）において、及び／又は、前記圧力測定素子（１１８）において、前記電気的な変数を、再度検出するステップ（４０８）と、
    を含む、請求項１０に記載の方法（４００）。
12. 前記装置（１００）の前記動作方法（４００）をパルス幅変調方法として実行し、
    前記第１の層（１１４）と前記第２の層（１１６）との間に電圧を印加する前記ステップ（４００）と、前記隔膜（１０６）の前記部分（１３０）を加熱するために、前記第１の層（１１４）又は前記第２の層（１１６）に亘って電圧を印加するステップとを交互に実施する、請求項１０又は１１に記載の方法（４００）。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法（４００）の総てのステップを実行するように構成されている、
    ことを特徴とする装置（１００）。
14. 請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法（４００）の総てのステップを実行するために構成されている、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムが記憶されている、
    ことを特徴とする、機械的に読み取り可能な記憶媒体。

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