WO1991000515A1 - Sauerstoffpartialdruck-sonde - Google Patents

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WO1991000515A1
WO1991000515A1 PCT/EP1990/001034 EP9001034W WO9100515A1 WO 1991000515 A1 WO1991000515 A1 WO 1991000515A1 EP 9001034 W EP9001034 W EP 9001034W WO 9100515 A1 WO9100515 A1 WO 9100515A1
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WO
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layer
oxygen
covering
partial pressure
electrodes
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PCT/EP1990/001034
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Inventor
Valentin Magori
Wolfgang Hanrieder
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • 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
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Definitions

  • the present invention relates to an oxygen partial pressure probe, suitable as an exhaust gas sensor for motor vehicle engines for the rapid determination of the oxygen partial pressure in a hot atmosphere.
  • Oxygen partial pressure probes are known in principle and are in use. In a special version or application, they are also referred to as lambda sensors. , ..n example, ceramic oxygen-ion-conducting metal oxides have been used for such probes. The ceramic bodies used for this were structured in a macroscopic construction, ie the smallest typical dimensions were of the order of a few millimeters. There are probes that only indicate whether there are over- or under-stoichiometric oxygen ratios, ie lambda values larger or smaller. Other known probes also measure the missing or excess oxygen partial pressure (in connection with fuel combustion).
  • the first-mentioned probes are the so-called classic lambda probes, which are based on the principle of using the effect of the serious voltage.
  • This Nernst voltage occurs when there is a difference in the oxygen partial pressure between a separately provided oxygen pressure reference and the (waste) gas to be measured.
  • This Nernst tension is at one Tapped electrodes pair, these electrodes are catalytically active and thus complete the gas reaction. This is the only way to make a statement about oxygen deficiency or excess. Such is shown, for example, in EP-A-0 310 206.
  • the probes mentioned in second place above are so-called pump probes. They contain a classic lambda probe as part of it. A second component of such a probe pumps oxygen ions into or out of the measuring chamber using an electric field. This measuring chamber is operatively connected to the exhaust gas volume to be probed via a diffusion barrier. Pumping keeps the oxygen partial pressure in the measuring chamber at a constant value.
  • the included classic lambda probe which compares the measuring chamber partial pressure with the reference, is regulated to a constant output signal.
  • the pump current required for this control for oxygen ion pumping is the measure of the oxygen partial pressure prevailing in the exhaust gas to be probed.
  • a probe of this principle is known from EP-A-0 127 964, the structure of which has a narrow air gap and the oxygen partial pressure present in this space formed by the gap is measured. On the one hand, this space is limited by a sensor with which oxygen partial pressures can be measured. The opposite side of this gap-shaped space is designed as an oxygen ion pump. The measurement is carried out in such a way that the oxygen partial pressure in the gap is kept at a constant value by controllable oxygen ion pumps, which can be checked by a constant signal from the measuring probe.
  • JP-A-61-138155, JP-A-61-95243 and DE-A-3 816 460 describe essentially the same thing.
  • the last two documents explicitly describe the presence of a measuring chamber again.
  • Such a measuring chamber requires relatively large response time constants, which is disadvantageous for sensors for fast-running piston combustion engines.
  • lambda probes There are other types of lambda probes. In one type separates a the diffusible ⁇ RNIS the to be probed gas from the oxygen ion Pu The voltage at this pump is increased until dei ion current in the saturation occurs. In this voltage range, the oxygen ion flow is proportional to the partial pressure in the exhaust gas.
  • the oxygen partial pressure prevailing in the measuring chamber is compared with the oxygen partial pressure of a reference chamber.
  • the oxygen partial pressure of the reference chamber is kept constant by a dynamic equilibrium between ion current on the one hand and molecular cooling diffusion (separate bypass).
  • Oxygen partial pressure probes can also be implemented using semiconducting metal oxides, which change their electrical conductivity depending on the oxygen partial pressure. Probes with such semiconducting metal oxides have the advantage of a very short response time, so that they appear to be ideally usable for the above-mentioned operation as exhaust gas probes.
  • these materials have the disadvantage that they undergo phase conversions with a larger range of the lambda values that occur. Such phase transformations occur especially when the sensor is operated in a reducing atmosphere with lambda less than 1.
  • the electrical conductivity of these materials has a non-linear dependence on the oxygen has partial pressure.
  • the object of the present invention is to provide a structure of an oxygen partial pressure sensor with a semiconducting material oxide with a specific electrical conductivity dependent on the oxygen partial pressure, which is free from interfering phase transformations of the semiconductor material without at least a substantial loss of short response time.
  • the invention provides for the oxygen partial pressure in the layer of the semiconducting material according to the claims, which acts as the actual conductivity sensor, to be kept at a constant value. This corresponds to, or results from, a constant specific electrical resistance for this semiconductor layer during operation.
  • a layer-like covering covering or surrounding this layer serves to control the oxygen partial pressure in the layer of this conductivity sensor.
  • This cover consists of a material which has the properties of oxygen diffusion and oxygen ion conduction when an electrical field is present in this cover. The oxygen diffusion occurring through this covering from the surrounding oxygen atmosphere into the layer of the conductivity sensor is proportional to the oxygen partial pressure in this surrounding atmosphere.
  • an oxygen ion pump current can be brought about in this material, either in the same direction or in the opposite direction to the oxygen diffusion.
  • the oxygen ion pump current can be controlled in terms of quantity by appropriately setting the applied voltage. According to the invention, this enables the aforementioned oxygen partial pressure in the conductivity sensor to be kept constant. The higher the partial pressure of oxygen in the environment is, the greater is the oxygen diffusion through the covering, to which the degree of the controlled oxygen ion pumping current is added or has to be subtracted.
  • the required direction and size of the oxygen ion pumping current, ie the sign and size of the electrical voltage to be applied to maintain constant oxygen partial pressure or constant conductivity of the conductivity sensor, are thus a proportional measure of the oxygen partial pressure in the environment.
  • the conductivity sensor is implemented as a thin layer which is applied to an inactive substrate.
  • the covering mentioned covers the entire exposed surface of the conductivity sensor. This covering is thus also a layer which, however, extends beyond the edges of the layer of the conductivity sensor to the substrate.
  • the covering designed as a layer likewise has electrodes on both sides of the layer, one electrode of which is a common electrode of this covering and of the conductivity sensor.
  • the electrical voltage controlling the pump current is applied to the pair of electrodes of this cover.
  • the two electrodes of this cover are permeable to oxygen due to their porosity or their design as a grid or mesh.
  • the Erfincu ⁇ g thus provides such a structure in which the oxygen of the exhaust gas can only pass through this covering to or into the layer of the actual conductivity sensor made of semiconducting material.
  • the electrical conductivity of the semiconductor material of the layer is measured via connections of the electrodes located opposite one another and located on the thin layer of the conductivity sensor. If this master value is less than a specified setpoint, the Pump layer, ie pumped out with the aid of the electrical voltage applied to the pump layer in the case of n-type semiconductor material. If it is p-type semiconductor material of the layer of the conductivity sensor, oxygen is supplied to this layer by pumping. If a conductivity of the conductivity sensor is determined which is greater than the predetermined setpoint value, oxygen is supplied in the case of n-type semiconductor material and oxygen is pumped out in the case of p-type semiconductor material.
  • the operating point of the oxygen partial pressure probe with a semiconductor conductivity sensor can be selected in the lambda range so that no reduction or phase conversion can take place. As a rule, work is carried out in the lambda range of 1 or greater.
  • FIG. 1 shows a probe according to the invention with a conductivity sensor layer on a substrate.
  • FIG. 2 shows a probe according to the invention with a conductivity sensor layer embedded in a body.
  • the layer of the conductivity sensor of the probe according to the invention is designated by 1 in FIG.
  • the material of this layer 1 is, for example, Ti0 2 , GaO, Ce0 2 and the like. These semiconductor materials are electrically dependent on the oxygen partial pressure conductive. They have electron or hole conduction as is known for semiconductor material.
  • a covering 2 is provided for layer 1, which shields this layer 1 from the surrounding gas atmosphere.
  • the material of this covering has the property of being permeable to diffusion at least for oxygen. In addition, it has the property of the effect of oxygen ion pumping with a correspondingly applied electrical voltage.
  • Electrodes 5 and 6 designate electrodes with the associated connections 51 and 61.
  • the electrode 5 is located on the surface of the conductivity sensor layer 1 facing away from the substrate.
  • These electrodes 5 and 6 for pump current in the respective direction consist of metal which is catalytically active for oxygen, e.g. Platinum, P .ladium and the like ..
  • the electrode located on the outside of the cover 2 is designated.
  • These electrodes 5 and 6 are at least permeable to oxygen. For example, they have corresponding holes or they are designed like a network.
  • a further electrode 7 is provided between the layer 1 of the conductivity sensor and the substrate 3, which in the present case does not necessarily have to be oxygen-permeable and / or catalytically active.
  • the electrodes 5 and 7 serve to measure the conductivity of the layer 1.
  • the adjustable electrical voltage U between the terminals 51 and 61 of the electrodes 5 and 6 is used. With the aid of this voltage U, an oxygen ion pump current 10 is generated through the material of the cover 2, which according to the illustration in FIG. f-partial pressure of the ambient oxygen diffusion stream 11 is directed in the opposite direction.
  • the oxygen diffusion flow corresponding to arrow 11 is proportional to the oxygen partial pressure of the environment.
  • the in the field of Electrode 5 becomes effective oxygen concentration, ie the oxygen concentration passing through this electrode 5 into the material of the layer 1 of the conductivity sensor can be controlled by adjusting the strength of the oxygen pump current corresponding to the arrow 10 so that the value of the electrical conductivity of layer 1 can be kept constant at a predetermined value. If the oxygen diffusion current is too weak, the total oxygen flow is increased by reversing the sign of the voltage U.
  • the balance 12 of the in and out diffusion of oxygen in and out of the semiconductor sensor 1 is designated. This causes the oxygen partial pressure kept constant there, the keeping constant being effected by controlling the oxygen ion pumping current 11 (by controlling the voltage U at the connections 51, 61).
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention that differs from that of FIG. 1, which in turn has a layer 1 with the properties described above and with electrodes 5 and 15 with connections 51 and 71. 1, in the embodiment according to FIG. 2, this layer 1 is completely enclosed by the material of the covering 22. This covering 22 can not only influence the oxygen diffusion on the layer 1, but it can also assume the carrier function of the substrate 1 of the embodiment according to FIG. 1.
  • FIG. 6 denotes an electrode as described for FIG. 1.
  • An electrode corresponding to the electrode 6 is designated 16 in the embodiment according to FIG.
  • the electrode 15 is expediently designed to be oxygen-permeable in the same way as the electrode 5.
  • the electrodes 6 and 16 can be electrically connected to one another.
  • oxygen ion pump currents 10 occur in the material of the cover 22.
  • the oxygen pump current 10 occurring between these electrode pairs is shown in the opposite direction to the oxygen diffusion current 11 (and is rectified when the voltage U is reversed).
  • connections 51 and 71 can, for example to measure the conductivity of the alternating current, which can be carried out using the customary circuit means from Pump-Gle. .ström is separable.

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Abstract

Halbleiter-Leitwertmeßsonde für Sauerstoffpartialdruck mit elektrisch zu pumpendem Sauerstoff-Ionenstrom (10).

Description

Sauerstoffpartialdruck-Sonde
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sauerstoff- partialdruck-Sonde, geeignet als Abgassensor für Kraftfahr¬ zeug otore zur schnellen Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in heißer Atmosphäre.
Im Zusammenhang mit der Abgasreinigung von Kraftfahrzeug-Ver¬ brennungsmotoren ist es zur Abgaskontrolle und/oder zur laufenden Einstellung des jeweils optimalen Kraftstoff-Luft¬ verhältnisses (1:15) erforderlich, das jeweils ebenso augenblicklich auftretende Abgas auf seinen noch verbliebenen Sauerstoffpartialdruck hin zu untersuchen. Optimal sind Zu¬ stände, bei denen der Sauerstoffpartialdruck relativ klein nahe dem Wert Null liegt.
Sauerstoffpartialdruck-Sonden sind prinzipiell bekannt und in Verwendung. Sie werden in spezieller Ausführung bzw. Anwendung auch als Lambda-Sonde bezeichnet. . ..n Beispiel sind für solche Sonden keramische Sauerstoffionenleitende Metalloxide verwen¬ det worden. Die dazu benutzten Keramikkörper wurden in mak¬ roskopischer Bauweise strukturiert, d.h. die kleinsten typi¬ schen Dimensionen lagen in der Größenordnung einiger Milli¬ meter. Es gibt Sonden, die nur anzeigen, ob über- oder unter- stöchio etrische Sauerstoffverhältnisse, d.h. Lambda-Werte größer oder kleiner vorliegen. Andere bekannte Sonden kl en darüberhinausgehend den (im Zusammenhang mit der Kraftstoff¬ verbrennung) fehlenden bzw. überschüssigen Sauerstoffpartial¬ druck messen. Die erstgenannten Sonden sind die sog. klassischen Lambda-Sonden, die auf dem Prinzip der Nutzung d°.s Effekts der .-.ernst'sehen Spanuπg beruhen. Diese Nernst'sche Spannung tritt auf, wenn zwischen einer gesondert bereitzu¬ stellenden Sauerstoffdruck-Referenz und dem zu messenden (Ab-)Gas eine Differenz hinsichtlich des Sauerstoffpartial- druckes herrscht. Diese Nernst'sche Spannung wird an einem Elektrodenpaar abgegriffen, wobei diese Elektroden katalytisch wirksam sind und so die Gasreaktion vervollständigen. Erst dadurch ist eine Aussage über Sauerstoffmangel oder -Überschuß möglich. Derartiges zeigt zum Beispiel die EP-A-0 310 206.
Die oben an zweiter Stelle genannten Sonden, sind sog. Pumpsonden. Sie enthalten eine klassische Lambda-Sonde als einen Bestandteil derselben. Ein zweiter Bestandteil einer solchen Sonde pumpt unter Anwendung eines elektrischen Feldes Sauerstoffionen in eine Meßkammer oder aus der Meßkammer heraus. Diese Meßkammer steht mit dem zu sondierenden Abgas¬ volumen über eine Diffusionsbarriere in Wirkverbindung. Durch das Pumpen wird der Sauerstoffpartialdruck in der Meßkammer auf stets konstantem Wert gehalten. Die enthaltene klassische Lambda-Sonde, die den Meßkammer-Partialdruck mit der Referenz vergleicht, wird auf konstantes Ausgangssignal geregelt. Der für diese Regelung erforderliche Pumpstrom für das Sauer¬ stoffionen-Pumpen ist das Maß für den im zu sondierenden Abgas herrschenden Sauerstoffpartialdruck.
Aus der EP-A-0 127 964 ist eine Sonde dieses Prinzips bekannt, deren Aufbau einen schmalen Luftspalt hat und der in diesem vom Spalt gebildeten Raum vorhandene Sauerstoffpartialdruck gemessen wird. Auf der einen Seite ist dieser Raum von einem Sensor begrenzt, mit dem Sauerstoffpartialdrucke zu messen sind. Die gegenüberliegende Seite dieses spaltförmigen Raumes ist als Sauerstoffionen-Pumpe ausgebildet. Die Messung wird in der Weise durchgeführt, daß durch steuerbares Sauerstoffionen- Pumpen der Sauerstoffpartialdruck in dem Spalt auf konstantem Wert gehalten wird, was durch konstantes Signal der Meßsonde überprüfbar ist.
Im wesentlichen das gleiche beschreiben die JP-A-61-138155, die JP-A-61-95243 und die DE-A-3 816 460. Die beiden letzten Druckschriften ist das Vorhandensein einer Meßkammer wieder explizit beschrieben. Eine solche Meßkammer bedingt relativ große Ansprechzeitkonstanten, was für Sensoren für schnell¬ laufende Kolbenverbrennungmotore nachteilig ist. Es gibt noch weitere Arten von Lambda-Sonden. Bei einer Art trennt ein Diffusionsh ^rnis das zu sondierende Abgas von der Sauerstoffionen-Pu Die Spannung an dieser Pumpe wird so lange erhöht, bis dei Ionenstrom in die Sättigung kommt. In diesem Spannungsbereich ist der Sauerstoffionenstrom proportio¬ nal dem Partialdruck im Abgas. Bei einer Lambda-Sonde anderer Art, nämlich Pumpsonden mit interner Referenz, wird der in der Meßkammer herrschende Sauerstoffpartialdruck mit dem Sauer- stoffpartialdruck einer Referenzkammer verglichen. Der Sauer¬ stoffpartialdruck der Referenzkammer wird durch ein d Harni¬ sches Gleichgewicht zwischen Ionenstrom einerseits und Mole¬ küldiffusion (separater Bypass) konstant gehalten.
Bei dem voranstehend Beschriebenen wird ebenso wie bei allen anderen derzeit bekannten Sauerstoffpartialdruck-Sonden eine jede der genannten Funktionen (Pumpen, Diffusion, Messen ...) separat realisiert. Dadurch und insbesondere durch den makros¬ kopischen Aufbau haben diese Sonden Ansprechzeiten, die unter ein bestimmtes Maß, typischerweise 300 msec, nicht zu drücken ist. Zur Erfassung sehr schneller, in der Praxis auftretender und zu sondierender Sauerstoffpartialdruck-Änderungen der Abgaszusammensetzung sind Sonden dieser Bauart ungeeignet, da für diese Anwendungen die Ansprechzeiten bei 1 ms, d.h. weit unter den voranstehend angegebenen 300 ms, liegen müssen.
Sauerstoffpartialdruck-Sonden können auch unter Verwendung halbleitender Metalloxide realisiert werden, die Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck ihre elektrische Leitfähigkeit ändern. Sonden mit solchen halbleitenden Metalloxiden haben den Vorzug sehr kurzer Ansprechzeit, so daß sie für den oben erwähnten Betrieb als Abgassonden als ideal verwendbar er¬ scheinen. Diese Materialien haben aber den Nachteil, daß sie bei größerem Bereich der auftretenden Lambda-Werte Phasen- Umwandlungen erleiden. Solche Phasenumwandluπgen treten vor allem dann auf, wenn der Sensor in reduzierender Atmosphäre mit Lambda kleiner 1 betrieben werden. Hinzu kommt noch ein weiterer Nachteil, daß die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien eine nichtlineare Abhängigkeit vom Sauerstoff- partialdruck aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau eines Sauerstoffpartialdruck-Sensors mit mit halbleitendem Material¬ oxid mit Sauerstoffpartialdruckabhängiger spezifischer elektrischer Leitfähigkeit anzugeben, der ohne wenigstens wesentlichen Verlust an kurzer Ansprechzeit frei von störenden Phasenumwandlungen des Halbleitermaterials ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, den Sauerstoffpartialdruck in der Schicht aus dem anspruchsgemäßen halbleitenden Material, das als der eigentliche Leitfähigkeitssensor wirksam ist, auf konstantem Wert zu halten. Dem entspricht bzw. daraus ergibt sich im Betrieb ein konstanter spezifischer elektrischer Wider¬ stand für diese Halbleiterschicht.
Zur Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks in der Schicht dieses Leitfähigkeitssensors dient eine diese Schicht über¬ deckende bzw. umgebende schichtförmige Bedeckung. Diese Be¬ deckung besteht aus einem Material, das die Eigenschaften der Sauerstoffdiffusion und der Sauerstoffionenleitung bei Vor¬ liegen eines elektrischen Feldes in dieser Bedeckung aufweist. Die durch diese Bedeckung hindurch aus der umgebenden Sauer¬ stoffatmosphäre in die Schicht des Leitfähigkeitssensors hinein auftretende Sauerstoffdiffusion ist proportional dem Sauerstoffpartialdruck in dieser umgebenden Atmosphäre.
Mittels Anlegen einer elektrischen Spannung an das Material dieser Bedeckung kann in diesem Material ein Sauerstoff- ionenpumpstrom bewirkt werden, und zwar wahlweise gleich oder entgegengesetzt gerichtet der Sauerstoffdiffusion. Durch entsprechendes Einstellen der angelegten Spannung kann der SauerstoffionenPumpstrom mengenmäßig gesteuert werden. Erfindungsgemäß ermöglicht dies das oben bereits erwähnte Konstanthalten des Sauerstoffpartialdrucks in dem Leitfähig¬ keitssensor. Je höher der Sauerstoffpartialdruck der Umgebung ist, um so größer ist die Sauerstoffdiffusion durch die Bedeckung hindurch, zu der das Maß des gesteuerten Sauerstoff¬ ionen-Pumpstrom hinzukommt oder abzuziehen ist. Die erforder- liehe Richtung und Größe des Sauerstoffionen-Pumpstroms, d.h. Vorzeichen und Größe der für die Einhaltung konstanten Sauer¬ stoffpartialdrucks bzw. konstanter Leitfähigkeit des Leitfähigkeitssensors anzulegenden elektrischen Spannung, sind somit ein proportionales Maß für den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, ist der Leitfähig¬ keitssensor als dünne Schicht realisiert, die auf einem inaktiven Substrat aufgebracht ist. Die erwähnte Bedeckung überdeckt die ganze freiliegende Oberfläche des Leitfähigkeits¬ sensors. Diese Bedeckung ist somit auch eine Schicht, die allerdings über die Ränder der Schicht des Leitfähigkeitssen¬ sors hinweg bis auf das Substrat reicht. Auf beiden Seiten der Seh: ht des Leitfähigkeitssensors sind Elektroden vorhanden, zwischen denen die elektrische Leitfähigkeit der Schicht dieses Leitfähigkeitssensors zu messen ist. Die als Schicht ausgebildete Bedeckung hat ebenfalls auf beiden Schichtseiten Elektroden, von denen die eine Elektrode eine gemeinsame Elektrode dieser Bedeckung und des Leitfähigkeitssenεnrs ist. An das Elektrodenpaar dieser Bedeckung wird die den Pumpstrom steuernde elektrische Spannung angelegt. Die beiden Elektroden dieser Bedeckung sind aufgrund ihrer Porosität oder ihrer Ausbildung als Gitter oder Netz für Sauerstoff durchlässig.
Die Erfincuπg sieht also einen solchen Aufbau vor, bei dem der Sauerstoff des Abgases nur durch diese Bedeckung hindurch an bzw. in die Schicht des eigentlichen Leitfähigkeitsseπsors aus halbleitendem Material gelangen kann.
Im Betrieb wird über Anschlüsse der einander gegenüber¬ liegenden, auf der dünnen Schicht des Leitfähigkeitssensors befindlichen Elektroden der elektrische Leitwert des Halb¬ leitermaterials der Schicht gemessen. Ist df.eser Leitwert kleiner als ein vorgegebener Sollwert, so wird mit Hilfe der Pumpschicht, d.h. mit Hilfe der an der Pumpschicht anliegen¬ den elektrischen Spannung bei n-Typ Halbleitermaterial Sauer¬ stoff abgepumpt. Handelt es sich um p-Typ-Halbleitermaterial der Schicht des Leitfähigkeitssensors, so wird dieser Schicht durch Pumpen Sauerstoff zugeführt. Wird ein Leitwert des Leit¬ fähigkeitssensors festgestellt, der größer als der vorgegebene Sollwert ist, so wird bei n-Typ-Halbleitermaterial Sauerstoff zugeführt und bei p-Typ-Halbleitermaterial Sauerstoff abge- pumpt.
Die Erfindung bietet unter anderem die folgenden Vorteile:
Der Zusammenhang zwischen Sendesignal und Sauerstoffpartial- druck ist linear.
Der Arbeitspunkt der Sauerstoffpartialdruck-Sonde mit Halb¬ leiter-Leitfähigkeitssensor kann im Lambda-Bereich so ge¬ wählt werden, daß keine Reduktion bzw. Phasenumwandlung statt¬ finden kann. Es wird dabei im Regelfall im Bereich Lambda größer/gleich 1 gearbeitet.
Es läßt sich (ohne Gefahr einer Phasenumwandlung) ein sehr weiter Bereich um den Wert Lambda = 1 meßtechnisch erfassen, es ist keine Sauerstoffreferenz erforderlich.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sonde mit Leitfähigkeits¬ sensor-Schicht auf einem Substrat.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Sonde mit in einem Körper eingebetteter Leitfähigkeitssensor-Schicht.
In Figur 1 ist die Schicht des Leitfähigkeitssensors der er¬ findungsgemäßen Sonde mit 1 bezeichnet. Das Material dieser Schicht 1 ist z.B. Ti02, GaO,, Ce02 und dgl.. Diese Halbleiter¬ materialien sind vom Sauerstoffpartialdruck abhängig elektrisch leitend. Sie haben Elektronen- bzw. Löcherleitung wie für Halb¬ leitermaterial bekannt.
Für die Schicht 1 ist eine Bedeckung 2 vorgesehen, die diese Schicht 1 gegenüber der umgebenden Gasatmosphäre abschirmt. Das Material dieser Bedeckung hat die Eigenschaft wenigstens für Sauerstoff diffusionsdurchlässig zu sein. Außer¬ dem hat es die Eigenschaft des Effekts des Sauerstoffionen- Pumpens bei entsprechend anliegender elektrischer Spannung.
Mit 5 und 6 sind Elektroden mit den zugehörigen Anschlüssen 51 und 61 bezeichnet. Die Elektrode 5 befindet sich auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche der Leitfähigkeitssensor- Schicht 1. Diese Elektroden 5 und 6 bestehen für Pumpstrom in der jeweiligen Richtung aus für Sauerstoff katalytisch wirksamem Metall, wie z.B. Platin, P .ladium und dgl.. Mit 6 ist die auf der Außenseite der Bedeckung 2 befindliche Elektrode bezeichnet. Diese Elektroden 5 und 6 sind wenigstens für Sauerstoff durchlässig. Zum Beispiel weisen sie entsprechende Löcher auf oder sie sind netzartig ausgebil¬ det.
Zwischen der Schicht 1 des Leitfähigkeitssensors und dem Substrat 3 ist noch eine weitere Elektrode 7 vorgesehen, die im vorliegenden Falle nicht notwendigerweise sauerstoffdurchlässig und/oder katalytisch wirksam sein muß. Die Elektroden 5 und 7 dienen mit ihren Anschlüssen 51 und 71 zum Messen der Leit¬ fähigkeit der Schicht 1. Um den Wert dieser zwischen den An¬ schlüssen 51 und 71 gemessenen elektrischen Leitwertes auch bei außerhalb der Bedeckung 2 sich änderndem Sauerstoffpartialdruck konstant zu halten, dient die einstellbare elektrische Spannung U zwischen den Anschlüssen 51 und 61 der Elektroden 5 und 6. Mit Hilfe dieser Spannung U wird ein Sauerstoffionen-Pumpstrom 10 durch das Material der Bedeckung 2 hindurch erzeugt, der gemäß der Darstellung der Figur 1 dem aufgrund des Sauersto,f- partialdruckes der Umgebung auftretenden Sauerstoffdiffusions¬ strom 11 entgegengesetzt gerichtet ist. Der dem Pfeil 11 entsprechende Sauerstoff-Diffusionsstrom ist proportional dem Sauerstoffpartialdruck der Umgebung. Die im Bereich der Elektrode 5 wirksam werdende Sauerstoffkonzentration, d.h. die durch diese Elektrode 5 hindurch in das Material der Schicht 1 des Leitfähigkeitssensors gelangende Sauerstoffkonzentration kann durch entsprechend eingestellte Stärke des dem Pfeil 10 entsprechenden Sauerstoff-Pumpstroms steuerbar so eingestellt werden, daß der Wert der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht 1 auf einen vorgegebenen Wert konstant gehalten werden kann. Ist der Sauerstoffdiffusionsstrom zu schwach wird durch Umkehrung des Vorzeichens der Spannung U der Sauerstoff-Ge¬ samtstrom vergrößert.
Mit 12 ist das Gleichgewicht der Ein- unmd Ausdiffusion von Sauerstoff herein in und heraus aus dem Halbleitersensor 1 bezeichnet. Dies bewirkt den dort konstant gehaltenen Sauer¬ stoffpartialdruck, wobei das Konstanthalten durch Steuerung des Sauerstoffionen-Pumpstroms 11 (durch Steuerung der Spannung U an den Anschlüssen 51, 61) bewirkt wird.
Die Figur 2 zeigt eine gegenüber der Figur 1 variierte Aus- führuπgsform der Erfindung, die wiederum eine Schicht 1 mit den oben beschriebenen Eigenschaften und mit den Elektroden 5 und 15 mit Anschlüssen 51 und 71 besitzt. Abweichend von der Aus¬ führungsform der Figur 1 ist bei der Ausführungsform nach Figur 2 diese Schicht 1 durch Material der Bedeckung 22 vollständig umschlossen. Diese Bedeckung 22 kann nicht nur die Sauerstoff- diffusions-Beeinflussung auf die Schicht 1 bewirken, sondern sie kann auch die Trägerfunktion des Substrats 1 der Aus¬ führung nach Figur 1 übernehmen.
Mit 6 ist eine wie zur Figur 1 beschriebene Elektrode bezeichnet. Eine der Elektrode 6 entsprechende Elektrode ist bei der Ausführungsform nach Figur 2 mit 16 bezeichnet.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist die Elektrode 15 zweckmäßigerweise in der gleichen Weise wie die Elektrode 5 sauerstoffdurchlässig ausgebildet. Es können insbesondere die Elektroden 6 und 16 miteinander elektrisch verbunden sein. Auch bei der Ausführungsform nach Figur 2 tritt bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 5 und 6 bzw. 15 und 16 Sauerstoffionen-Pumpströme 10 im Material der Bedeckung 22 auf. Auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist der zwischen diesen Elektrodenpaaren auftretende Sauerstoff¬ pumpstrom 10 dem Sauerstoff-Diffusionsstrom 11 entgegengesetzt gerichtet dargestellt (und ist bei Umpolung der Spannung U gleichgerichtet) .
Weitere Einzelheiten, insbesondere bezüglich der Signalaus¬ wertung gelten für das Ausführungsbeispiel der Figur 2 ebenso wie für das der Figur 1. Zur Trennung des Meßstromes (zwischen den Anschlüssen 51 und 71) und dem Pur .»ström (zwischen dem Anschluß 61 einerseits und den zu diesem Zwecke parallel zu schaltenden Anschlüssen 51 und 71 andererseits) kann z.B. zur Messung der Leitfähigkeit Wechselstrom vor' ~ehen sein, der mit den üblichen Schaltungsmitteln von Pump-Gle. .ström trennbar ist.
5
C
5

Claims

Patentansprüche
1. Sauerstoffpartialdruck-Sonde mit einer Schicht (1) aus einem Sauerstoffpartialdruck-ab- hängig Elektronen-(Löcher-)leitendem Material und mit einer diese Schicht (1) gegen ansonsten angrenzende äußere Sauerstoffatmosphäre abdeckenden Bedeckung (2, 22) aus einem Sauerstoffionen-leitenden (10) Material, das wenigstens für Sauerstoff diffusionsdurchlässig (11) ist, mit Anschlüssen (51, 71; 51, 91) versehenen, auf der Schicht (1) auf gegenüberliegenden Flächen derselben befindlichen Elektroden (5, 7; 5, 9, wobei diese Elektroden (5, 9), soweit sie zu einer Grenzfläche zwischen der Schicht (1) und der Bedeckung (2, 22) vorhanden sind, für den Eintritt von Sauerstoff in das Material der Schicht (1) Durchlässigkeit aufweisen und katalytisch wirksam sind, mit außen auf der Bedeckung (2, 22) befindlicher, für Sauer- stoff durchlässiger, katalytisch wirksamer Elektrode (6, 8) als jeweilige Gegenelektrode zu einer Elektrode (5; 5, 9) an der Grenzfläche zwischen der Schicht (1) und der Bedeckung (2; 22) und mit wenigstens einem Anschluß (61) für diese äußere Gegenelek- trode (-n) (6; 6, 8).
2. Sonde nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h , daß sich die Schicht (1) auf einem Substrat (3) befindet und die Bedeckung (2) die Schicht (1) über deren Oberfläche und Ränder hinweg bis auf das Substrat reichend umgibt (Fig. 1).
3. Sonde nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h , daß die Schicht (1) in das Material der Bedeckung (22) einge¬ bettet ist. (Fig. 2)
4. Sonde nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h , daß eine einzige äußere Elektrode (6, 8) mit einem Anschluß (61) vorgesehen ist.
5. Verfahren zum Betrieb einer Sonde nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h , daß zwischen den Elektroden (5, 7) der Schicht (1) der elek¬ trische Leitwert des Materials dieser Schicht (1) gemessen und auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird und zwischen den Elektroden (5, 6) der Bedeckung eine solche ge¬ polte Spannung (U) angelegt wird, mit deren Höhe ein solcher Pumpstrom durch das Material der Bedeckung (2) bewirkt wird, der bewirkt, daß die aus Sauerstoff-Diffusionsstrom und Sauerstoff¬ ionen-Pumpstrom sich ergebende Sauerstoffstrom-DIfferenz in der Schicht (1) diesen vorgebenen Leitwert des Materials der Schicht (1) erreichen läßt.
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