WO2010072490A1 - Sensor array comprising a temperature probe - Google Patents

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WO2010072490A1
WO2010072490A1 PCT/EP2009/065635 EP2009065635W WO2010072490A1 WO 2010072490 A1 WO2010072490 A1 WO 2010072490A1 EP 2009065635 W EP2009065635 W EP 2009065635W WO 2010072490 A1 WO2010072490 A1 WO 2010072490A1
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WO
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sensor
electrode
temperature
nernst cell
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/065635
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Schneider
Lothar Diehl
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Publication of WO2010072490A1 publication Critical patent/WO2010072490A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • the invention is based on known ceramic sensor elements, in particular sensor elements, which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in particular in motor vehicles.
  • An important example of ceramic sensor elements in motor vehicles are sensor elements for determining a composition of an air-fuel mixture, which are also referred to as "lambda sensors" and play a significant role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in
  • the invention can also be applied to other types of ceramic sensor elements, for example particle sensors or similar types of solid electrolyte sensors, in particular in the exhaust gas sensor system
  • the invention will be explained below using the example of lambda probes, Lambda probes are known in the prior art in numerous different embodiments can be modified according to the invention are in Robert Bosch GmbH: "Sensors in the motor vehicle", 2nd edition, April 2007, p.
  • a technical challenge with known sensor elements is that the ability of solid electrolyte materials to conduct certain ions is highly dependent on the temperature of the solid electrolyte material.
  • Many sensor elements therefore comprise at least one heating element, by means of which the temperature of the Solid electrolyte can be adjusted specifically to a specific value.
  • the temperature of the Solid electrolyte can be adjusted specifically to a specific value.
  • a disadvantage of such sensor arrangements is that they require a relatively complex control on the one hand.
  • sensor elements used in sensor arrays of this type are comparatively complicated to produce since, on the one hand, the production of the heating elements requires a considerable additional technical outlay, and since the wiring of the heating element and the remaining components of the sensor element involves a plurality (usually
  • connection contacts on the sensor element makes necessary.
  • sensor arrays would be desirable, which are equipped with relatively simple sensor elements and still reliably allow detection of readings for the engine control.
  • the sensor arrangement serves to detect at least one property of a gas in a measuring gas space, in particular a physical and / or chemical property.
  • this at least one property may be a fraction of a gas component in the gas, for example, oxygen.
  • this percentage may be represented by a percentage or a
  • Partial pressure can be specified.
  • the sensor arrangement can accordingly be designed to detect an oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the invention will be described below essentially with reference to such a configuration as a lambda probe, but in principle also other embodiments are possible, for example embodiments for measuring another gas component, embodiments as particle sensors or the like.
  • a basic idea of the present invention is that an electronic circuit and / or a configuration of the sensor elements can be greatly simplified if the sensor arrangement is a combined measurement of a Nernstsignals and a temperature measurement allows.
  • Such a sensor arrangement with a combined measurement function can very well fulfill the requirements for two-wheel applications, in particular.
  • the use of a heating element can preferably be completely dispensed with, so that, for example, the temperature of the gas itself can be used, for example a hot exhaust gas, in order to bring the sensor element to a required operating temperature.
  • the sensor arrangement comprises at least two components, namely at least one controller and at least one sensor element.
  • the controller may be wholly or partially integrated in the sensor element, but may also be wholly or partially configured as an external controller and serves to control and evaluation of the at least one sensor element.
  • the control can also be fully or partially integrated with other components of a system, for example an engine control system of a motor vehicle.
  • the sensor element comprises at least one Nernst cell with at least one directly or indirectly acted upon by the gas from the measuring gas chamber first electrode.
  • this first electrode can be exposed directly to the measurement gas space and / or can be designed to be separated from this measurement gas space via a porous, gas-permeable protective layer.
  • this first electrode can be configured as an outer electrode (APE), which is arranged on a surface of the sensor element facing the measurement gas space.
  • the Nernst cell comprises at least one second electrode arranged in a reference gas space. This reference gas space should be at least largely separated from the measurement gas space, such that preferably a complete, gas-impermeable separation takes place.
  • the reference gas space is accordingly designed as a room with a defined atmosphere, which can be realized in various ways.
  • the atmosphere in the reference gas space can be specifically adjusted by one or more pumping cells
  • the reference gas space can but also be associated with at least one surrounding space, such as an engine compartment of a motor vehicle. Accordingly, the reference gas space, for example, wholly or partially be configured as a reference air duct and / or communicate with such a reference air duct.
  • the Nernst cell comprises at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • This solid electrolyte may include, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ).
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • ScSZ scandium-stabilized zirconium dioxide
  • Other materials are possible in principle.
  • the Nernst cell supplies at least one signal from which the property of the gas can be deduced.
  • this can be an oxygen partial pressure in the measurement gas space, so that the Nernst cell can be designed, for example, as a simple jump probe.
  • the sensor arrangement comprises at least one temperature sensor for detecting at least one temperature of the gas in the measuring gas space.
  • this temperature sensor may for example be wholly or partially integrated in the sensor element and / or may be wholly or partly designed as an external, separate from the sensor element and / or the Nernst cell temperature sensor.
  • the at least one temperature sensor can in principle fall back on known measuring principles for the detection of temperatures.
  • the temperature sensor can comprise at least one temperature resistor (thermistor), ie a resistor whose electrical properties, for example its specific resistance, depend on the temperature.
  • thermistor temperature resistor
  • NTC resistors negative temperature coefficient
  • PTC resistors positive temperature coefficient
  • Numerous such temperature sensors are known from the prior art and can in principle also be used in the context of the present invention.
  • Such thermistors are characterized by high accuracy, high robustness and a high temperature measuring range.
  • the sensor arrangement is set up to detect a signal of the Nernst cell, that is to say a signal from which basically the at least one property of the gas can be deduced.
  • the sensor arrangement is set up in order to evaluate this signal, taking into account the temperature of the gas in the measuring gas space determined by the temperature sensor.
  • evaluation is to be understood broadly.
  • the evaluation may involve simply providing the Nernst cell signals, for example to a motor controller.
  • the evaluation may involve simply providing the Nernst cell signals, for example to a motor controller.
  • the evaluation may involve simply providing the Nernst cell signals, for example to a motor controller.
  • the evaluation may also comprise a complete or partial processing of the signals, for example filtering, otherwise complete or partial signal processing, derivation of further measured variables (for example a conversion into a lambda value and / or another quantification of the measurements to be measured Property of the gas) or the like.
  • High temperatures occurring around the sensor element can also be used to set a required operating temperature of, for example, at least 400 ° C., in particular at least 500 ° C.
  • the sensor arrangement may be arranged to completely reject the Nernst cell signal.
  • a correction of the signal of the Nernst cell with an analytical, empirical or semiempirical correction function, for example a continuous function and / or a jump function, can generally also be carried out.
  • this may mean, for example, that when starting still no signal of a lambda probe is available. Only later, when an operating temperature is reached, signals of the lambda probe can be detected and evaluated, which detected by the inventive provision of at least one temperature sensor when this time of appropriate operating conditions has been reached.
  • the sensor element can preferably be configured completely without an active heating element.
  • the evaluation of the signal of the Nernst cell can, as illustrated above, be carried out in various ways, for example using one or more correction functions. Alternatively or additionally, which can also be understood by the term of the correction function, however, threshold value methods can also be used.
  • this threshold value method for example, at least one threshold temperature may be predetermined, which may be stored, for example, in a data memory of the controller.
  • the signal of the Nernst cell can only be evaluated if the temperature of the gas detected by the at least one temperature sensor is above at least one threshold temperature.
  • a plurality of temperature ranges can be predetermined by corresponding threshold temperatures, whereby a different evaluation takes place within these temperature ranges, for example taking into account the respective ionic conductivity of the solid electrolyte in the current range.
  • the temperature sensor and the Nernst cell may be at least partially identical.
  • the Nernst cell itself can be used as a thermistor.
  • the controller may then be configured to time-separate the detection of the temperature and the detection of the Nernst cell signal.
  • the signal of the Nernst cell is detected by detecting a voltage at the Nernst cell (Nernst voltage).
  • the temperature can be detected, for example, by passing a current through the Nernst cell, wherein the resistance of the Nernst cell can be determined, it being possible to deduce the resistance of the Nernst cell to the temperature of the gas in the measurement gas space.
  • Other embodiments are possible.
  • the time-separated detection can be done in various ways.
  • a time measurement scheme can be used in which the temperature is detected at predetermined intervals, whereas in the remaining time and / or in other intervals at least temporarily the signal is recorded.
  • Nernst cell is detected.
  • a temporal measuring sequence can be used in which measuring phases for detecting the signal of the Nernst cell and temperature measuring phases alternate at predetermined time intervals.
  • the measurement scheme can also be adapted to the requirements, for example by carrying out frequent measurements of the temperature when a drop in temperature is recorded.
  • Various configurations are possible.
  • the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical.
  • Nernst cell also be at least partially separated.
  • the controller may then be configured to separately detect the temperature of the gas and the signal of the Nernst cell. This separate detection can be done in several ways. It is particularly preferred in general if a wiring is used which requires only two connection contacts.
  • connection contacts are possible, so that generally preferably the sensor element is designed as a sensor element with only two connection contacts. For example, this can be done such that the Nernst cell is arranged in at least a first branch of a circuit of the sensor arrangement and that the temperature sensor is arranged in at least a second branch of the circuit. The first branch and the second branch can then preferably be connected in parallel, so that both branches can be contacted by two common connection contacts. In this parallel circuit, the separation of the signals of the Nernst cell and the signals of the
  • Temperature sensor carried out in various ways known to those skilled in the art. For example, a frequency-selective evaluation can take place. For example, this can be done by the temperature measurement at frequencies above 100 Hz, preferably above 1 kHz, whereas the detection of the signal of the Nernst cell only at frequencies zen below 100 Hz, for example, only at frequencies up to 10 Hz occurs. This allows the different information to be separated.
  • This separation can be favored, for example, by additionally accommodating at least one capacitive element in the second branch, that is to say in the branch in which the temperature sensor is arranged.
  • this at least one capacitive element in series with the temperature sensor, such as the thermistor, are switched.
  • this capacitive element may comprise at least one capacitor, for example a printed capacitor.
  • At least one inductive element may additionally be accommodated in the first branch.
  • This inductive element may for example comprise a coil.
  • the inductive element can in particular be connected in series with the Nernst cell.
  • the resistance of the Nernst cell connected in parallel does not affect the measuring accuracy of the resistance of the temperature sensor, for example of the thermistor, so that the full accuracy of the resistance of the thermistor can be used.
  • the temperature sensor can in principle be completely or partially integrated in the sensor element itself, for example in one or more of the ways described above. Alternatively or additionally, however, it is also possible in principle to form the temperature sensor completely or partially separate from the sensor element.
  • the temperature sensor may have a separate, for example commercially available, component as a separable unit, which is connected to the sensor element, for example connected to the sensor element. This can be done, for example, via a clamping or soldering of the supply cable or via a composite material.
  • a sensor element is furthermore proposed, which is set up for use in a sensor arrangement according to the invention in accordance with one or more of the embodiments described above. Accordingly, the above-described sensor arrangement can be further developed by using one or more of the sensor elements described below in one or more of the described embodiments. Alternatively or additionally, however, the use of other types of sensor elements is possible in principle, for example, as described above, the use of sensor elements without their own temperature sensor, wherein the sensor arrangement additionally comprises such an external temperature sensor.
  • the sensor element is preferably designed as a two-contact sensor element, thus preferably has only two connection contacts. Basically, however, sensor elements are also possible with a higher number of connection contacts.
  • the temperature sensor element of the temperature sensor is preferably at least partially designed as a thermistor.
  • the temperature sensor comprises at least one thermistor.
  • the temperature sensor may optionally include other types of temperature sensor.
  • Temperature sensor in particular the thermistor, comprises at least one electrically connected to the second electrode inner electrode, that is, an electrode which is also arranged in the reference gas space.
  • This at least one inner electrode may be formed separately from the second electrode and be electrically connected only to the second electrode.
  • the inner electrode is at least partially identical to the second electrode.
  • the temperature sensor comprises at least one outer electrode which is at least partially different from the first electrode. This outer electrode can, for example, in turn be arranged on a surface of a layer structure of the sensor element facing the measurement gas space and can be connected to the measurement gas space or be formed separately therefrom.
  • this outer electrode is exposed to the gas in the measuring gas space directly or indirectly, for example via a porous protective layer.
  • the inner electrode and the outer electrode are preferably connected by at least one resistance material which is at least partially different from the solid electrolyte.
  • This resistance material can be, for example, a negative temperature coefficient resistor material or comprise a material of this type.
  • different resistance materials are used.
  • metal-oxide materials which are known to have a resistor with a negative temperature coefficient.
  • ytterbium-terbium-X mixed oxides can be used, wherein X may comprise, for example, samarium and / or gadolinium.
  • Such resistance materials are known, for example, from EP 0 810 611 A1.
  • the resistor materials described there can also be used in the context of the present invention, for example.
  • the resistance material can be embedded in a carrier material, for example a carrier layer.
  • a carrier material for example a carrier layer.
  • This can be done, for example, by the carrier material, for example the carrier layer, having a corresponding opening into which the resistance material is introduced.
  • This introduction can take place, for example, by introducing a prefabricated piece of a layer of the resistance material into the opening of the carrier material.
  • paste techniques for example printing techniques, doctoring techniques or the like, in which the resistance material is introduced into the opening in the layer of the carrier material.
  • the carrier material may be, for example, the solid electrolyte itself.
  • a corresponding opening which is to receive the resistance material, are punched into a foil of the solid electrolyte and / or cut.
  • the solid electrolyte and the resistance material can be optimized separately.
  • the carrier material may also comprise another material which differs from the solid electrolyte.
  • the carrier material may be an insulating material, for example Al 2 O 3 and / or another type of insulating material.
  • the solid electrolyte may also be completely or partially embedded in the carrier material, for example, in turn, by one or more of the embedding techniques described above.
  • the sensor element is preferably designed as a two-contact sensor element.
  • the Nernst cell and the thermistor are electrically connected in parallel.
  • This parallel connection is preferably carried out directly on the sensor element, as can be saved in this way connection contacts.
  • the sensor element comprises a first connection contact, which is electrically connected to the first electrode and the outer electrode, and also a second connection contact, which is electrically connected to the second electrode and the inner electrode.
  • the above subdivision of a circuit can be carried out in the two branches, wherein in the first branch, the Nernst cell is arranged, and in the second branch of the temperature sensor or the thermistor.
  • Thermistor, connected in series, optional capacitive element and / or the at least one optional inductive element connected in series with the Nernst cell may be integrated wholly or partly directly in the sensor element.
  • the sensor element can comprise such a capacitive element connected in series with the thermistor and / or an inductive element connected in series with the Nernst cell.
  • the capacitive element and / or the inductive element can be designed, for example, wholly or partially as printed elements, for example as a printed capacitor and / or as a printed coil. Since printed coils generally have very small inductances, such printed coils can be used in particular for measurements with a high measuring frequency, in particular for the measurement of the temperature signals.
  • the capacitive element and / or the inductive element can also be configured by means of separate components. Overall, in this way, as described above, the frequency-selective separation between the signals of the Nernst cell and the temperature signals can be easily accomplished.
  • the proposed sensor arrangement and the proposed sensor element have a number of advantages over known sensor arrangements and known sensor elements.
  • the sensor element can be realized with a small space, in particular when integrating the Temperature sensor in the sensor element.
  • compact and inexpensive sensor elements can be realized in this way.
  • This can be of decisive advantage, in particular in two-wheel applications, in which such sensor elements have to be mounted, for example, in a manifold and / or a cylinder head of small engines. Since it is preferable to completely dispense with a heating element in the sensor element, for example in the form of an unheated lambda probe, the sensor element and the sensor arrangement are characterized by a low energy requirement. This low energy requirement, for example in the form of a low power consumption, is limited in particular in applications
  • Capacity of the power supply such as limited battery capacity, in turn, of vital importance.
  • the sensor arrangement and the sensor element are characterized in particular for use in two-wheeled applications.
  • connection contacts are usually technically very complex to produce.
  • deeper layers must be electrically connected by plated-through holes.
  • through-contacts can represent sources of error and can increase the reject in the production of the sensor elements.
  • the proposed concepts of the sensor elements can simplify manufacturing processes and it is possible to produce more cost-effective and robust sensor elements.
  • a further advantage of the proposed sensor elements and sensor arrangements is that two relevant measured variables for the engine control, namely the temperature and the signal of the Nernst cell (for example the lambda value) can be detected by means of one and the same sensor element.
  • This integration can thus also achieve cost advantages.
  • the signal of the Nernst cell detected in this way for example the lambda signal, can be evaluated in a simple yet reliable manner. That's how it works For example, simply evaluate the validity of the measured lambda signal, for example, by only above a certain threshold temperature, the measured value is recognized as reliably evaluated.
  • the changed compared to conventional sensor elements and sensor arrangements and optionally increased requirements for the evaluation can be easily realized, for example, by appropriate design of the controller, such as a programmatic design of a control device.
  • a control and a control for example by characteristics and / or maps, can be implemented easily and inexpensively, without an additional sensor for temperature detection would be required.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a sensor arrangement according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a first embodiment of a sensor element according to the invention
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a second exemplary embodiment of a sensor element according to the invention
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram for the sensor arrangements in FIGS. 1 to 3 and in FIG. 6;
  • Figure 5 is a plan view of a surface of a possible embodiment of a sensor element in Figures 2 and 3;
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of a sensor arrangement according to the invention.
  • sensor arrangements 12 which comprise at least one controller 114 and at least one sensor element 16, which communicate with each other via an interface 118 indicated only symbolically in the figures.
  • the controller 1 14 is indicated only symbolically in Figures 1, 2, 3 and 6.
  • This controller 114 may comprise, for example, one or more voltage measuring devices for detecting a Nernst voltage and / or one or more current sources and / or voltage measuring devices for detecting a resistance of a thermistor and / or other measuring devices and / or current and / or voltage sources.
  • controller 1 14 may include a corresponding evaluation, which, as described below, may perform a signal evaluation.
  • the controller 1 14 may include, for example, one or more data processing devices and / or data storage, wherein the data processing device may be set up, for example, programmatically to perform the described evaluation.
  • the data processing device and / or the data memory may, for example, be wholly or partially components of a motor control device.
  • the sensor arrangement 1 12 can fall back on basically known sensor elements and use these according to the invention.
  • the sensor elements 116 in the embodiments of Figure 1 and Figure 6 be configured according to the prior art.
  • sensor elements 116 according to the invention can also be used in the context of sensor arrangement 12, that is to say sensor elements 116 which are particularly modified and particularly suitable for the implementation of the inventive concept.
  • Such embodiments of sensor elements 116 according to the invention are shown in FIGS. 2, 3 and 5.
  • the sensor elements 16 in the exemplary embodiments illustrated comprise a Nernst cell 120.
  • This Nernst cell 120 comprises a first electrode 122 exposed to the sample gas chamber 110 directly or via a gas-permeable protective layer (not shown in the figures), which in the illustrated exemplary embodiments is designated AE (outer electrode). is designated.
  • the Nernst cell 120 comprises a second electrode 124.
  • this second electrode 124 is arranged in a reference gas space 126 which is arranged separately from the sample gas chamber 110 in the interior of the sensor element 16.
  • This reference gas space 126 is designed, for example, as an air reference, for example as a reference channel, which is connected to an engine compartment of a motor vehicle or another external space.
  • the Nernst cell 120 comprises a solid electrolyte 128 connecting the first electrode 122 and the second electrode 124.
  • This solid electrolyte 128 may, for example, comprise YSZ and / or ScSZ and / or ZrO 2 doped with other metal oxides as shown above. However, other materials and / or material combinations are basically possible. As a rule, the electrolytic conductivity of the solid electrolyte 128 with increasing
  • the solid electrolyte 128 is in some ways a material with a negative temperature coefficient of electrical resistance (NTC material).
  • NTCi negative temperature coefficient of electrical resistance
  • the first electrode 122 and the second electrode 124 are connected to the interface 118 via connection lines 130, 132 and via connection contacts 134, 136 arranged on the sensor element 116.
  • the sensor arrangement 112 comprises at least one temperature sensor 138.
  • This temperature sensor 138 is exemplary in all examples
  • Thermistor 140 configured, so as a resistor whose resistance value of the temperature of the gas in the measuring gas chamber 1 10 depends.
  • FIGS. 1 to 3 and 6 show four different embodiments of sensor arrangements
  • thermistors 140 are used, which comprise a resistance material 142 having, for example, a negative temperature coefficient (NTC).
  • NTC negative temperature coefficient
  • this resistance material 142 is designated NTC 2 in the figures.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a sensor arrangement 112, in which the solid electrolyte 128 may comprise, for example, yttrium-stabilized zirconium dioxide.
  • the electrodes 122, 124 may be designed, for example, as cermet electrodes, for example as platinum cermet electrodes.
  • the Nernst cell 120 which includes the first electrode 122 (outer electrode, AE), the solid electrolyte 128 and the second electrode 124 (inner electrode, IE), is also referred to as
  • Temperature sensor 138 is inserted and thus forms a temperature-dependent resistance element (thermistor 140), which is used as a resistive temperature sensor.
  • the controller 114 may be configured to alternately detect at intervals the Nernst voltage at the Nernst cell 120 (DC voltage) and, alternately, the temperature in the sample gas space
  • the material of the solid electrolyte 128 is simultaneously used as resistance material 142 of the thermistor 140. This makes it possible to realize a very simple construction of the sensor element 116. Through the temporal sequence of temperature measurements and
  • Nernst voltage measurements can be a mutual interference of Messun- avoid it.
  • a disadvantage of the sensor arrangement 112 according to FIG. 1, however, may be that in this case a simultaneous optimization of the material properties of the solid electrolyte 128 must take place in order to serve both as a carrier material and as an oxygen ion conductor as well as a resistance material 128. This may possibly result in lower accuracy and sensor dynamics.
  • the sensor element 116 used here largely corresponds to the sensor element 16 according to FIG. 1.
  • the temperature sensor 138 and the Nernst cell 120 are configured separately.
  • the temperature sensor 138 comprises an inner electrode 144 in the reference gas space 126 which is identical or combined with the second electrode 124 in this exemplary embodiment, but has an outer electrode 146 which is separated from the first electrode 122 and exposed to the reference gas space 110.
  • the temperature sensor 138 comprises a Resistor material 142, which connects the inner electrode 144 and the outer electrode 146 with each other.
  • This resistance material 142 is separated from the material of the solid electrolyte 128 in this embodiment.
  • the solid electrolyte 128 acts as a carrier material 148, in particular as a carrier layer into which the resistance material 142 is inserted.
  • the solid electrolyte 128 may be configured as a ceramic foil, and the resistance material 142 may be embedded as a thermistor material in this carrier material 148.
  • the resistance material 142 may accordingly be optimized to optimize the temperature in the relevant exhaust gas temperature range, for example between 300 ° C. and 1000 ° C.
  • the resistance material 142 is accordingly designated NTC 2 in FIG.
  • Such optimized resistance materials 142 are already known from the prior art as materials in individual temperature sensors. Particularly suitable for the embodiment according to FIG.
  • Y-Tb-X mixed oxides where X may be, for example, samarium and / or gadolinium.
  • X may be, for example, samarium and / or gadolinium.
  • Such materials can be used at temperatures above 1 100 0 C as thermistors.
  • An advantage of such materials is that they undergo no phase transformation, that they are compatible with the typical ceramics of the solid electrolyte 128 and, in particular, can also be produced simultaneously with these, for example by so-called co-firing.
  • the resistance material 142 may be in the support material 148, for example, in the YSZ Tarrägerfolie, in particular by means of one or more of the following ceramic manufacturing processes are embedded: embedding as inlay or stamped into the substrate 148 (so-called green film technology) and / or as a paste or extruder mass for filling this provided recesses.
  • the inserted resistance material 142 for example the NTC 2 -lnlay, can additionally be sealed off from the carrier material 148 by further measures. For example, a seal can optionally be made by glazing.
  • connection lines 130, 132 which are also used for contacting the first electrode 122 and the second electrode 124.
  • An embodiment of a corresponding electronic circuit is explained below with reference to Figures 4 and 5.
  • the embodiment of the sensor arrangement 112 shown in FIG. 2 has the advantage over the exemplary embodiment in FIG. 1 that the resistance material 142 can be selected specifically for the temperature measurement and thus can be optimized separately from the solid electrolyte 128.
  • the dimensioning of the resistance material 142 should be designed so high impedance that the limiting current of optionally configured as a reference air duct reference gas space 126 is not exceeded by a short-circuit current of the Nernst cell. In this way, an occurrence of CSD (characteristic shift down, for example, loading of the second electrode 124 by fat gases) can be effectively avoided.
  • CSD characteristic shift down, for example, loading of the second electrode 124 by fat gases
  • Resistance material 142 regardless of the solid electrolyte 128, a higher accuracy for the temperature measurement and thus for the entire measurement of the sensor assembly 1 12 achieve.
  • the solid electrolyte 128 itself serves as carrier material 148 into which the resistance material 142 is inserted, for example as an inlay.
  • the solid electrolyte 128 generally has to be optimized simultaneously for two requirements, namely the carrier function and the solid electrolyte function.
  • the carrier function and the solid electrolyte function.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 12 and of a sensor element 1 16 according to the invention, in which also the
  • Solid electrolyte 128 is embedded in a separately formed from the solid electrolyte 128 carrier material 148. Otherwise, the exemplary embodiment largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 2, so that reference can largely be made to the description of this figure.
  • carrier material 148 for example, an electrically insulating ceramic carrier, for example
  • the solid electrolyte 128 and the resistive material 142 may be separately optimized, where the solid electrolyte 128 may be optimized for ion conduction, such as oxygen ion conduction, and / or lambda determination, and the resistive material 142 for temperature measurement.
  • the solid electrolyte 128 and the resistance material 142 may, for example, in turn be inserted separately into the carrier material 148, for example into a carrier foil.
  • the insertion techniques reference may be made to the above description of the insertion of the resistance material 142 according to FIG.
  • the carrier material 148 can be improved to an optimum strength and optionally to further properties, for example with regard to an insulating property.
  • FIGS. 2 and 3 in particular the Nernst cell 120 and the thermistor 140 can be connected in parallel. This can be done, for example, according to the embodiments shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the parallel circuit comprising Nernst cell 120 and thermistor 140
  • FIG. 5 shows a plan view of a surface of a possible modification of the sample gas chamber 110 of a possible modification of the exemplary embodiments of a sensor element 116 shown in FIGS. 2 and 3.
  • the Nernst cell 120 and the temperature sensor 138 in one
  • a first branch 150 of the circuit while the Nernstzelle 120 is received whereas in a second branch 152, which is connected in parallel to the first branch 150, the thermistor 140 is received.
  • the thermistor 140 is thus connected in parallel in this embodiment via a capacitor in series with the Nernst cell 120.
  • capacitances of 100 pF to 1 ⁇ F, preferably of about 1 nF, are suitable for the capacitive element 154.
  • the DC evaluation of the Nernst cell 120 is maintained because at low frequencies the second branch 152 blocks. A short circuit of the Nernst cell 120 via the second branch 152 is avoided.
  • the temperature measurement can then take place at frequencies, for example above 1 kHz, whereas the lambda measurement is evaluated only up to 10 Hz. This allows the information to be separated.
  • an inductive element 156 may also be accommodated in the first branch 150, in which the Nernst cell 120 is accommodated, which is shown symbolically in FIG. 4 and, for example, also in the exemplary embodiment according to FIG. 5 and / or in the exemplary embodiments according to FIGS and 3 can be realized.
  • the Nernst cell 120 is symbolically symbolized by a Nernst voltage source 158 (denoted by U N ) and the solid electrolyte 128 connected in series to this Nernst voltage source 158.
  • the resistance of the solid electrolyte 128 with respect to the resistance of the resistance material 142 of the thermistor 140 in the measurement accuracy of the thermistor 140 is not or only insignificantly, and the full measurement accuracy of the thermistor 140 can be used.
  • the circuit via which the Nernst cell 120 and the temperature sensor 138 are connected in parallel to one another is completely accommodated in or on the sensor element 116.
  • this can be achieved by corresponding printed connection lines 130,
  • FIG. 6 shows a sensor arrangement 112 with a sensor element 16.
  • the sensor element 1 16 in the illustrated exemplary embodiment largely corresponds to the sensor element, for example
  • a temperature sensor 138 such as a thermistor 140, which is designed as a separate, non-integrated component.
  • a temperature sensor 138 a separate and commercially available component can be used.
  • the temperature sensor 138 may, for example, be connected to the sensor element 116 as a detachable unit. This can be done for example by clamping or soldering the supply cable, and / or via a composite material, for example, with a printed lead 130, 132 for the Nernstzelle 120 on the ceramic substrate.
  • a parallel connection of the temperature sensor 138 and the Nernst cell 120 can take place, with two branches 150, 152 connected in parallel, as shown in FIG.
  • a capacitive element 154 in the second branch 152 and / or an inductive element 156 may be provided in the first branch 150, which in turn may be connected in series with the temperature sensor 138 or the Nernst cell 120 can be switched.
  • An advantage of the embodiment shown in FIG. 6 is that the ceramic processes which are required for the production of the sensor element 16 can be greatly simplified.
  • the resistance material 142 and / or the capacitive element 154 and / or the inductive element 156 need not necessarily be sintered in the manufacture of the sensor element 16.
  • the sealing problem described above which typically results in the integration of the resistor material 142 into a layer structure of a Nernst cell 120 or of a sensor element 116, can be avoided.
  • the capacitive element 154 and / or the inductive element 156 can be embodied, for example, as printed elements.
  • a capacitor may advantageously be constructed as a thick-film element directly on the sensor element 16, for example by means of superimposed and / or printed layers arranged in a plane.
  • an Al 2 O 3 layer and / or a layer of another insulator material, in particular a material having high relative permittivity ⁇ r can be printed on a first electrode surface, for example a platinum surface.
  • a second electrode surface for example a second platinum surface, can be printed over this structure, so that a sandwich structure is created, which acts as a capacitive element 154.
  • the inductive element 156 can be similarly produced by a printing technique.
  • the sensor elements 1 16 in the illustrated embodiments according to the figures 1 to 6 can be integrated in a conventional manner, for example in a (not shown in the figures) probe housing.
  • probe housings with a thread of 12 mm or 18 mm can be used, for example customary thread sizes for exhaust gas probes.
  • the sensor elements 1 16 can in particular be configured as two-pole sensor elements 116, that is to say as sensor elements 1 16 with only two connection contacts 134, 136, so that, for example, two-pole probe housings can be used. In this way, small-volume, inexpensive and simple and robust to produce sensor elements 116 can be realized, which, together with the controller 1 14, can be used as a sensor assembly 1 12, for example in two-wheel applications.

Abstract

The invention proposes a sensor array (112) for sensing at least one property of a gas in a test gas chamber (110), in particular for determining a concentration of a gas component in the gas. The sensor array (112) comprises at least one sensor element (116). The sensor element (116) has at least one Nernst cell (120) with at least one first electrode (122) to which the gas from the test gas chamber (110) can be applied, at least one second electrode (124) which is arranged in a reference gas chamber (126), and at least one solid electrolyte (128) which connects the first electrode (122) and the second electrode (124). The sensor array (112) has at least one temperature probe (138) for sensing a temperature of the gas in the test gas chamber (110). The sensor array (112) also comprises at least one controller (114) and is set up to detect a signal from the Nernst cell (120) and to evaluate said signal taking into account the temperature.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Sensoranordnung mit TemperaturfühlerSensor arrangement with temperature sensor
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten keramischen Sensorelementen, insbesondere Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel von keramischen Sensorelementen in Kraftfahrzeugen sind Sensorelemente zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, welche auch als „Lambdasonden" bezeichnet werden und eine wesentliche Rolle spielen bei der Reduzierung von Schadstoffen in Ab- gasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie. Auch auf andere Arten von keramischen Sensorelementen ist die Erfindung jedoch anwendbar, beispielsweise auf Partikelsensoren oder ähnliche Arten von Sensoren mit Festelektrolyten, insbesondere in der Abgassensorik. Ohne Beschränkung des Schutzumfangs wird die Erfindung im Folgenden am Beispiel von Lambdasonden erläutert, wobei jedoch, im Lichte der obigen Ausführungen, auch andere Arten von Sensorelementen hergestellt werden können. Lambdasonden sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Verschiedene Ausführungsbeispiele von Lambdasonden, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden können, sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Ausgabe, April 2007, S.The invention is based on known ceramic sensor elements, in particular sensor elements, which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in particular in motor vehicles. An important example of ceramic sensor elements in motor vehicles are sensor elements for determining a composition of an air-fuel mixture, which are also referred to as "lambda sensors" and play a significant role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in However, the invention can also be applied to other types of ceramic sensor elements, for example particle sensors or similar types of solid electrolyte sensors, in particular in the exhaust gas sensor system Without limiting the scope of protection, the invention will be explained below using the example of lambda probes, Lambda probes are known in the prior art in numerous different embodiments can be modified according to the invention are in Robert Bosch GmbH: "Sensors in the motor vehicle", 2nd edition, April 2007, p.
154-159 beschrieben.154-159.
Eine technische Herausforderung bei bekannten Sensorelementen besteht darin, dass die Fähigkeit der Festelektrolytmaterialien, bestimmte Ionen zu leiten, stark von der Temperatur des Festelektrolytmaterials abhängt. Viele Sensorelemente umfassen daher mindestens ein Heizelement, mittels dessen die Temperatur des Festelektrolyten gezielt auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann. Zum Regeln der Temperatur lässt sich beispielsweise in Breitbandsonden in Doppel- zell- und Einzelzellausführung der Innenwiderstand einer Nernstzelle verwenden. Dies wird beispielsweise in DE 101 01 351 A1 beschrieben. Nachteilig an derar- tigen Sensoranordnungen ist jedoch, dass diese zum einen eine vergleichsweise aufwändige Steuerung benötigen. Andererseits sind in derartigen Sensoranordnungen eingesetzte Sensorelemente vergleichsweise aufwändig in der Herstellung, da zum einen die Herstellung der Heizelemente einen erheblichen zusätzlichen technischen Aufwand erfordert und da die Beschaltung des Heizelements und der übrigen Bestandteile des Sensorelements eine Mehrzahl (üblicherweiseA technical challenge with known sensor elements is that the ability of solid electrolyte materials to conduct certain ions is highly dependent on the temperature of the solid electrolyte material. Many sensor elements therefore comprise at least one heating element, by means of which the temperature of the Solid electrolyte can be adjusted specifically to a specific value. In order to control the temperature, it is possible, for example, to use the internal resistance of a Nernst cell in double-cell and single-cell broadband probes. This is described for example in DE 101 01 351 A1. However, a disadvantage of such sensor arrangements is that they require a relatively complex control on the one hand. On the other hand, sensor elements used in sensor arrays of this type are comparatively complicated to produce since, on the one hand, the production of the heating elements requires a considerable additional technical outlay, and since the wiring of the heating element and the remaining components of the sensor element involves a plurality (usually
4 bis 5) von Anschlusskontakten am Sensorelement erforderlich macht. Insbesondere für kostengünstige Anwendungen, wie beispielsweise im Zweiradbereich, wären jedoch Sensoranordnungen wünschenswert, welche mit vergleichsweise einfachen Sensorelementen ausgestattet sind und dennoch zuverlässig eine Erfassung von Messwerten für die Motorsteuerung ermöglichen.4 to 5) of connection contacts on the sensor element makes necessary. In particular, for low-cost applications, such as in the two-wheeler, but sensor arrays would be desirable, which are equipped with relatively simple sensor elements and still reliably allow detection of readings for the engine control.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es werden daher eine Sensoranordnung und ein für den Einsatz in einer derarti- gen Sensoranordnung geeignetes Sensorelement vorgeschlagen. Die Sensoranordnung dient der Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft um einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas handeln, beispielsweise von Sau- erstoff. Beispielsweise kann dieser Anteil durch einen Prozentsatz oder einenTherefore, a sensor arrangement and a sensor element suitable for use in such a sensor arrangement are proposed. The sensor arrangement serves to detect at least one property of a gas in a measuring gas space, in particular a physical and / or chemical property. In particular, this at least one property may be a fraction of a gas component in the gas, for example, oxygen. For example, this percentage may be represented by a percentage or a
Partialdruck angegeben werden. Insbesondere kann die Sensoranordnung dementsprechend zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Abgas einer Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen mit Bezugnahme auf eine derartige Ausgestaltung als Lambdasonde be- schrieben, wobei jedoch grundsätzlich auch andere Ausgestaltungen möglich sind, beispielsweise Ausgestaltungen zur Messung einer anderen Gaskomponente, Ausgestaltungen als Partikelsensoren oder ähnliches.Partial pressure can be specified. In particular, the sensor arrangement can accordingly be designed to detect an oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine. The invention will be described below essentially with reference to such a configuration as a lambda probe, but in principle also other embodiments are possible, for example embodiments for measuring another gas component, embodiments as particle sensors or the like.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich eine e- lektronische Beschaltung und/oder eine Ausgestaltung der Sensorelemente stark vereinfachen lässt, wenn die Sensoranordnung eine kombinierte Messung eines Nernstsignals und eine Temperaturmessung ermöglicht. Eine derartige Sensoranordnung mit einer kombinierten Messfunktion kann insbesondere die Anforderungen für Zweiradapplikationen sehr gut erfüllen. Auf die Verwendung eines Heizelements kann vorzugsweise vollständig verzichtet werden, so dass bei- spielsweise die Temperatur des Gases selbst genutzt werden kann, beispielsweise eines heißen Abgases, um das Sensorelement auf eine erforderliche Betriebstemperatur zu bringen.A basic idea of the present invention is that an electronic circuit and / or a configuration of the sensor elements can be greatly simplified if the sensor arrangement is a combined measurement of a Nernstsignals and a temperature measurement allows. Such a sensor arrangement with a combined measurement function can very well fulfill the requirements for two-wheel applications, in particular. The use of a heating element can preferably be completely dispensed with, so that, for example, the temperature of the gas itself can be used, for example a hot exhaust gas, in order to bring the sensor element to a required operating temperature.
Die Sensoranordnung umfasst mindestens zwei Komponenten, nämlich mindes- tens eine Steuerung und mindestens ein Sensorelement. Die Steuerung kann dabei ganz oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise als externe Steuerung ausgestaltet sein und dient der Ansteuerung und Auswertung des mindestens einen Sensorelements. Die Steuerung kann auch ganz oder teilweise mit anderen Komponenten eines Systems in- tegriert werden, beispielsweise einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs.The sensor arrangement comprises at least two components, namely at least one controller and at least one sensor element. The controller may be wholly or partially integrated in the sensor element, but may also be wholly or partially configured as an external controller and serves to control and evaluation of the at least one sensor element. The control can also be fully or partially integrated with other components of a system, for example an engine control system of a motor vehicle.
Das Sensorelement umfasst mindestens eine Nernstzelle mit mindestens einer mit dem Gas aus dem Messgasraum direkt oder indirekt beaufschlagbaren ersten Elektrode. Beispielsweise kann diese erste Elektrode unmittelbar dem Mess- gasraum ausgesetzt sein und/oder über eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht von diesem Messgasraum getrennt ausgestaltet sein. Insbesondere kann diese erste Elektrode als eine Außenelektrode (APE) ausgestaltet sein, welche auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Sensorelements angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Nernstzelle mindestens eine in einem Refe- renzgasraum angeordnete zweite Elektrode. Dieser Referenzgasraum soll von dem Messgasraum zumindest weitgehend getrennt sein, derart, dass vorzugsweise eine vollständige, gasundurchlässige Trennung erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine Trennung derart erfolgen, dass ein Gasaustausch zwischen Referenzgasraum und Messgasraum nur auf einer Zeitskala möglich ist, welche erheblich längere Zeiten umfasst als die sonstigen, für den Betrieb des Sensorelements relevanten Zeiten, beispielsweise einen Transport von Ionen durch den Festelektrolyten. Der Referenzgasraum ist dementsprechend als Raum mit einer definierten Atmosphäre ausgestaltet, was auf verschiedene Weisen realisiert werden kann. So kann beispielsweise die Atmosphäre in dem Refe- renzgasraum gezielt durch eine oder mehrere Pumpzellen eingestellt werdenThe sensor element comprises at least one Nernst cell with at least one directly or indirectly acted upon by the gas from the measuring gas chamber first electrode. By way of example, this first electrode can be exposed directly to the measurement gas space and / or can be designed to be separated from this measurement gas space via a porous, gas-permeable protective layer. In particular, this first electrode can be configured as an outer electrode (APE), which is arranged on a surface of the sensor element facing the measurement gas space. Furthermore, the Nernst cell comprises at least one second electrode arranged in a reference gas space. This reference gas space should be at least largely separated from the measurement gas space, such that preferably a complete, gas-impermeable separation takes place. Alternatively or additionally, however, can also be a separation such that a gas exchange between the reference gas space and sample gas space is possible only on a time scale, which includes significantly longer times than the other, relevant for the operation of the sensor element times, for example, a transport of ions through the solid electrolyte , The reference gas space is accordingly designed as a room with a defined atmosphere, which can be realized in various ways. For example, the atmosphere in the reference gas space can be specifically adjusted by one or more pumping cells
(gepumpte Referenz). Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzgasraum je- doch auch mit mindestens einem Umgebungsraum verbunden sein, beispielsweise einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs. Dementsprechend kann der Referenzgasraum beispielsweise ganz oder teilweise als Referenzluftkanal ausgestaltet sein und/oder mit einem derartigen Referenzluftkanal in Verbindung stehen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich. Weiterhin umfasst die Nernstzelle mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Dieser Festelektrolyt kann beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) umfassen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch grundsätzlich auch andere Festelektrolytmaterialien möglich, beispielsweise Scandium- stabilisiertes Zirkondioxid (ScSZ). Auch andere Materialien sind grundsätzlich möglich. Die Nernstzelle liefert mindestens ein Signal, aus welchem auf die Eigenschaft des Gases geschlossen werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Sauerstoffpartialdruck in dem Messgasraum handeln, so dass die Nernstzelle beispielsweise als einfache Sprungsonde ausgestaltet sein kann.(pumped reference). Alternatively or additionally, the reference gas space can but also be associated with at least one surrounding space, such as an engine compartment of a motor vehicle. Accordingly, the reference gas space, for example, wholly or partially be configured as a reference air duct and / or communicate with such a reference air duct. Various configurations are possible. Furthermore, the Nernst cell comprises at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. This solid electrolyte may include, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ). Alternatively or additionally, however, other solid electrolyte materials are also possible in principle, for example scandium-stabilized zirconium dioxide (ScSZ). Other materials are possible in principle. The Nernst cell supplies at least one signal from which the property of the gas can be deduced. For example, this can be an oxygen partial pressure in the measurement gas space, so that the Nernst cell can be designed, for example, as a simple jump probe.
Weiterhin umfasst die Sensoranordnung mindestens einen Temperaturfühler zur Erfassung mindestens einer Temperatur des Gases in dem Messgasraum. Wie nachfolgend näher beschrieben wird, kann dieser Temperaturfühler beispielsweise ganz oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein und/oder kann ganz oder teilweise als externer, von dem Sensorelement und/oder der Nernstzelle getrennt ausgebildeter Temperaturfühler ausgestaltet sein. Verschiedene Ausgestaltungen werden unten näher beschrieben. Der mindestens eine Temperaturfühler kann dabei grundsätzlich auf bekannte Messprinzipien zur Erfassung von Temperaturen zurückgreifen. Beispielsweise kann der Temperaturfühler mindes- tens einen Temperaturwiderstand (Thermistor) umfassen, also einen Widerstand, dessen elektrische Eigenschaften, beispielsweise dessen spezifischer Widerstand, von der Temperatur abhängen. Verschiedene derartiger Thermistoren sind bekannt. Beispielsweise lassen sich Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstände) und/oder Widerstände mit positivem Temperaturko- effizienten (PTC-Widerstände) einsetzen. Zahlreiche derartige Temperaturfühler sind aus dem Stand der Technik bekannt und können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Derartige Thermistoren zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit, eine hohe Robustheit und einen hohen Temperaturmessbereich aus. Die Sensoranordnung ist eingerichtet, um ein Signal der Nernstzelle zu erfassen, also ein Signal, aus welchem sich grundsätzlich auf die mindestens eine Eigenschaft des Gases schließen lässt. Die Sensoranordnung ist eingerichtet, um dieses Signal unter Berücksichtigung der durch den Temperaturfühler ermittelten Temperatur des Gases in dem Messgasraum auszuwerten.Furthermore, the sensor arrangement comprises at least one temperature sensor for detecting at least one temperature of the gas in the measuring gas space. As will be described in more detail below, this temperature sensor may for example be wholly or partially integrated in the sensor element and / or may be wholly or partly designed as an external, separate from the sensor element and / or the Nernst cell temperature sensor. Various embodiments will be described in more detail below. The at least one temperature sensor can in principle fall back on known measuring principles for the detection of temperatures. For example, the temperature sensor can comprise at least one temperature resistor (thermistor), ie a resistor whose electrical properties, for example its specific resistance, depend on the temperature. Various such thermistors are known. For example, resistors with a negative temperature coefficient (NTC resistors) and / or resistors with a positive temperature coefficient (PTC resistors) can be used. Numerous such temperature sensors are known from the prior art and can in principle also be used in the context of the present invention. Such thermistors are characterized by high accuracy, high robustness and a high temperature measuring range. The sensor arrangement is set up to detect a signal of the Nernst cell, that is to say a signal from which basically the at least one property of the gas can be deduced. The sensor arrangement is set up in order to evaluate this signal, taking into account the temperature of the gas in the measuring gas space determined by the temperature sensor.
Der Begriff der Auswertung ist dabei weit zu fassen. So kann die Auswertung beispielsweise ein einfaches Bereitstellen der Signale der Nernstzelle beinhalten, beispielsweise an eine Motorsteuerung. Beispielsweise können, wie im Folgen- den noch erläutert wird, lediglich diejenigen Signale der Nernstzelle von derThe term evaluation is to be understood broadly. For example, the evaluation may involve simply providing the Nernst cell signals, for example to a motor controller. For example, as will be explained below, only those signals of the Nernst cell of the
Steuerung ausgewählt und bereitgestellt werden, für welche die gemessene Temperatur oberhalb einer Schwelltemperatur lag. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswertung jedoch auch eine vollständige oder teilweise Verarbeitung der Signale umfassen, beispielsweise eine Filterung, eine anderweitige vollstän- dige oder teilweise Signalverarbeitung, eine Ableitung weiterer Messgrößen (beispielsweise eine Umrechung in einen Lambdawert und/oder eine andere Quantifizierung der zu messenden Eigenschaft des Gases) oder ähnliches.Selected and provided for which the measured temperature was above a threshold temperature. Alternatively or additionally, however, the evaluation may also comprise a complete or partial processing of the signals, for example filtering, otherwise complete or partial signal processing, derivation of further measured variables (for example a conversion into a lambda value and / or another quantification of the measurements to be measured Property of the gas) or the like.
Es kann also vorzugsweise nicht nur die Temperatur des Sensorelements aktiv eingestellt und/oder geregelt werden, sondern die ohnehin in vielen Fällen in derThus, not only can the temperature of the sensor element be actively adjusted and / or regulated, but in any case in many cases
Umgebung des Sensorelements auftretenden hohe Temperaturen können auch zur Einstellung einer erforderlichen Betriebstemperatur von beispielsweise mindestens 400 0C, insbesondere mindestens 500 0C, verwendet werden. Solange die erforderliche Betriebstemperatur nicht erreicht ist, kann beispielsweise die Sensoranordnung eingerichtet sein, um das Signal der Nernstzelle vollständig zu verwerfen. Alternativ oder zusätzlich kann auch allgemein eine Korrektur des Signals der Nernstzelle mit einer analytischen, empirischen oder semiempirischen Korrekturfunktion erfolgen, beispielsweise einer stetigen Funktion und/oder einer Sprungfunktion.High temperatures occurring around the sensor element can also be used to set a required operating temperature of, for example, at least 400 ° C., in particular at least 500 ° C. For example, as long as the required operating temperature is not reached, the sensor arrangement may be arranged to completely reject the Nernst cell signal. Alternatively or additionally, a correction of the signal of the Nernst cell with an analytical, empirical or semiempirical correction function, for example a continuous function and / or a jump function, can generally also be carried out.
Insbesondere für Zweiradapplikationen, jedoch auch für andere Applikationen, in denen eine kostengünstige Sensoranordnung erforderlich ist, kann dies beispielsweise bedeuten, dass beim Starten noch kein Signal einer Lambdasonde zur Verfügung steht. Erst später, wenn eine Betriebstemperatur erreicht ist, kön- nen Signale der Lambdasonde erfasst und ausgewertet werden, wobei durch das erfindungsgemäße Vorsehen des mindestens einen Temperaturfühlers erkannt werden kann, wenn dieser Zeitpunkt geeigneter Betriebsbedingungen erreicht ist. Das Sensorelement kann dementsprechend vorzugsweise vollständig ohne aktives Heizelement ausgestaltet sein.In particular, for two-wheel applications, but also for other applications in which a low-cost sensor assembly is required, this may mean, for example, that when starting still no signal of a lambda probe is available. Only later, when an operating temperature is reached, signals of the lambda probe can be detected and evaluated, which detected by the inventive provision of at least one temperature sensor when this time of appropriate operating conditions has been reached. Accordingly, the sensor element can preferably be configured completely without an active heating element.
Die Auswertung des Signals der Nernstzelle kann dabei, wie oben dargestellt, auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise unter Verwendung einer oder mehrerer Korrekturfunktionen. Alternativ oder zusätzlich, was auch unter dem Begriff der Korrekturfunktion verstanden werden kann, lassen sich jedoch auch Schwellwertverfahren einsetzen. Bei diesem Schwellwertverfahren kann bei- spielsweise mindestens eine Schwelltemperatur vorgegeben sein, welche beispielsweise in einem Datenspeicher der Steuerung hinterlegt sein kann. Bei diesem Schwellwertverfahren kann beispielsweise das Signal der Nernstzelle nur dann ausgewertet werden, wenn die von dem mindestens einen Temperaturfühler erfasste Temperatur des Gases oberhalb mindestens einer Schwelltempera- tur liegt. Wie oben dargestellt, sind jedoch auch komplexere Schwellwertverfahren möglich. So können beispielsweise mehrere Temperaturbereiche durch entsprechende Schwelltemperaturen vorgegeben sein, wobei innerhalb dieser Temperaturbereiche eine unterschiedliche Auswertung erfolgt, beispielsweise unter Berücksichtigung der jeweiligen lonenleitfähigkeit des Festelektrolyten in dem ak- tuellen Bereich.The evaluation of the signal of the Nernst cell can, as illustrated above, be carried out in various ways, for example using one or more correction functions. Alternatively or additionally, which can also be understood by the term of the correction function, however, threshold value methods can also be used. In this threshold value method, for example, at least one threshold temperature may be predetermined, which may be stored, for example, in a data memory of the controller. In this threshold value method, for example, the signal of the Nernst cell can only be evaluated if the temperature of the gas detected by the at least one temperature sensor is above at least one threshold temperature. However, as discussed above, more complex threshold methods are possible. Thus, for example, a plurality of temperature ranges can be predetermined by corresponding threshold temperatures, whereby a different evaluation takes place within these temperature ranges, for example taking into account the respective ionic conductivity of the solid electrolyte in the current range.
Der Temperaturfühler und die Nernstzelle können zumindest teilweise identisch ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Nernstzelle selbst als Thermistor genutzt werden. Die Steuerung kann dann eingerichtet sein, um die Erfassung der Temperatur und die Erfassung des Signals der Nernstzelle zeitlich getrennt durchzuführen. So wird das Signal der Nernstzelle erfasst, indem eine Spannung an der Nernstzelle (Nernstspannung) erfasst wird. Die Temperatur kann beispielsweise dadurch erfasst werden, dass durch die Nernstzelle ein Strom geleitet wird, wobei der Widerstand der Nernstzelle ermittelt werden kann, wobei aus diesem Widerstand der Nernstzelle auf die Temperatur des Gases im Messgasraum geschlossen werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.The temperature sensor and the Nernst cell may be at least partially identical. For example, the Nernst cell itself can be used as a thermistor. The controller may then be configured to time-separate the detection of the temperature and the detection of the Nernst cell signal. Thus, the signal of the Nernst cell is detected by detecting a voltage at the Nernst cell (Nernst voltage). The temperature can be detected, for example, by passing a current through the Nernst cell, wherein the resistance of the Nernst cell can be determined, it being possible to deduce the resistance of the Nernst cell to the temperature of the gas in the measurement gas space. Other embodiments are possible.
Die zeitlich getrennte Erfassung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. So kann beispielsweise ein zeitliches Messschema eingesetzt werden, bei welchem in vorgegebenen Intervallen die Temperatur erfasst wird, wohingegen in der verbleibenden Zeit und/oder in anderen Intervallen zumindest zeitweise das Sig- nal der Nernstzelle erfasst wird. Beispielsweise kann eine zeitliche Messabfolge eingesetzt werden, bei welcher sich Messphasen zur Erfassung des Signals der Nernstzelle und Temperaturmessphasen in vorgegebenen zeitlichen Intervallen abwechseln. Alternativ kann jedoch auch das Messschema dem Bedarf ange- passt werden, beispielsweise indem häufiger Messungen der Temperatur durchgeführt werden, wenn ein Absinken der Temperatur verzeichnet wird. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.The time-separated detection can be done in various ways. For example, a time measurement scheme can be used in which the temperature is detected at predetermined intervals, whereas in the remaining time and / or in other intervals at least temporarily the signal is recorded. Nernst cell is detected. For example, a temporal measuring sequence can be used in which measuring phases for detecting the signal of the Nernst cell and temperature measuring phases alternate at predetermined time intervals. Alternatively, however, the measurement scheme can also be adapted to the requirements, for example by carrying out frequent measurements of the temperature when a drop in temperature is recorded. Various configurations are possible.
Alternativ zu der Ausgestaltung, in welcher der Temperaturfühler und die Nernst- zelle zumindest teilweise identisch sind, können der Temperaturfühler und dieAs an alternative to the embodiment in which the temperature sensor and the Nernst- cell are at least partially identical, the temperature sensor and the
Nernstzelle auch zumindest teilweise getrennt ausgebildet sein. Die Steuerung kann dann eingerichtet sein, um die Temperatur des Gases und das Signal der Nernstzelle getrennt zu erfassen. Diese getrennte Erfassung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Besonders bevorzugt ist es allgemein, wenn dabei eine Beschaltung verwendet wird, welche lediglich zwei Anschlusskontakte erfordert.Nernst cell also be at least partially separated. The controller may then be configured to separately detect the temperature of the gas and the signal of the Nernst cell. This separate detection can be done in several ways. It is particularly preferred in general if a wiring is used which requires only two connection contacts.
Dies ist auch ein besonderer Vorteil der Anordnung, bei welcher der Temperaturfühler und die Nernstzelle zumindest teilweise identisch sind, da sich in diesem Fall eine gemeinsame Kontaktierung anbietet.This is also a particular advantage of the arrangement in which the temperature sensor and the Nernst cell are at least partially identical, since in this case offers a common contact.
Auch in dem Fall, in welchem die Nernstzelle und der Temperaturfühler zumindest teilweise getrennt ausgebildet sind, ist jedoch eine bevorzugte Zusammenfassung von Anschlusskontakten möglich, so dass allgemein vorzugsweise das Sensorelement als Sensorelement mit lediglich zwei Anschlusskontakten ausgestaltet ist. Beispielsweise kann dies derart erfolgen, dass die Nernstzelle in mindestens einem ersten Zweig eines Schaltkreises der Sensoranordnung angeordnet ist und dass der Temperaturfühler in mindestens einem zweiten Zweig des Schaltkreises angeordnet ist. Der erste Zweig und der zweite Zweig können dann vorzugsweise parallelgeschaltet sein, so dass beide Zweige durch zwei gemeinsame Anschlusskontakte kontaktiert werden können. Bei dieser Parallel- Schaltung kann die Trennung der Signale der Nernstzelle und der Signale desEven in the case in which the Nernst cell and the temperature sensor are at least partially formed separately, however, a preferred summary of connection contacts is possible, so that generally preferably the sensor element is designed as a sensor element with only two connection contacts. For example, this can be done such that the Nernst cell is arranged in at least a first branch of a circuit of the sensor arrangement and that the temperature sensor is arranged in at least a second branch of the circuit. The first branch and the second branch can then preferably be connected in parallel, so that both branches can be contacted by two common connection contacts. In this parallel circuit, the separation of the signals of the Nernst cell and the signals of the
Temperaturfühlers auf verschiedene, dem Fachmann grundsätzlich bekannte Weisen erfolgen. Beispielsweise kann eine frequenzselektive Auswertung erfolgen. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, dass die Temperaturmessung bei Frequenzen oberhalb von 100 Hz, vorzugsweise oberhalb von 1 kHz, erfolgt, wohingegen die Erfassung des Signals der Nernstzelle nur bei Frequen- zen unterhalb von 100 Hz, beispielsweise nur bei Frequenzen bis 10 Hz, erfolgt. Hierdurch lassen sich die unterschiedlichen Informationen trennen.Temperature sensor carried out in various ways known to those skilled in the art. For example, a frequency-selective evaluation can take place. For example, this can be done by the temperature measurement at frequencies above 100 Hz, preferably above 1 kHz, whereas the detection of the signal of the Nernst cell only at frequencies zen below 100 Hz, for example, only at frequencies up to 10 Hz occurs. This allows the different information to be separated.
Begünstigt werden kann diese Trennung beispielsweise dadurch, dass zusätzlich in dem zweiten Zweig, also in dem Zweig, in welchem der Temperaturfühler angeordnet ist, mindestens ein kapazitives Element aufgenommen ist. Beispielsweise kann dieses mindestens eine kapazitive Element in Reihe mit dem Temperaturfühler, beispielsweise dem Thermistor, geschaltet werden. Beispielsweise kann dieses kapazitive Element mindestens einen Kondensator, beispielsweise einen gedruckten Kondensator, umfassen. Mit dieser Ausgestaltung mit dem mindestens einen kapazitiven Element im zweiten Zweig sperrt der zweite Zweig bei niederen Frequenzen, so dass die Signale bei niederen Frequenzen sich weitgehend eindeutig dem ersten Zweig, also dem die Nernstzelle umfassenden Zweig, zuordnen lassen. Vorteilhaft macht sich bemerkbar, dass sich die Refe- renz der Nernstzelle aufgrund des Kondensators nicht oder in erheblich geringerem Maße entleert. Höherfrequente Signale lassen sich dementsprechend weitgehend eindeutig dem zweiten Zweig zuordnen, also als Temperatursignale identifizieren. Um die Trennung weiter zu begünstigen, kann in dem ersten Zweig zusätzlich mindestens ein induktives Element aufgenommen sein. Dieses induktive Element kann beispielsweise eine Spule umfassen. Das induktive Element kann insbesondere mit der Nernstzelle in Reihe geschaltet werden. Damit fällt der parallelgeschaltete Widerstand der Nernstzelle nicht bei der Messgenauigkeit des Widerstandes des Temperaturfühlers, beispielsweise des Thermistors, ins Gewicht, so dass die volle Genauigkeit des Widerstands des Thermistors genutzt werden kann.This separation can be favored, for example, by additionally accommodating at least one capacitive element in the second branch, that is to say in the branch in which the temperature sensor is arranged. For example, this at least one capacitive element in series with the temperature sensor, such as the thermistor, are switched. For example, this capacitive element may comprise at least one capacitor, for example a printed capacitor. With this configuration, with the at least one capacitive element in the second branch, the second branch blocks at low frequencies, so that the signals at low frequencies can be largely unambiguously assigned to the first branch, that is to say the branch comprising the Nernst cell. Advantageously, it is noticeable that the reference of the Nernst cell is not emptied or to a much lesser extent due to the capacitor. Accordingly, higher-frequency signals can be largely unambiguously assigned to the second branch, ie identified as temperature signals. In order to further favor the separation, at least one inductive element may additionally be accommodated in the first branch. This inductive element may for example comprise a coil. The inductive element can in particular be connected in series with the Nernst cell. Thus, the resistance of the Nernst cell connected in parallel does not affect the measuring accuracy of the resistance of the temperature sensor, for example of the thermistor, so that the full accuracy of the resistance of the thermistor can be used.
Der Temperaturfühler kann grundsätzlich ganz oder teilweise in dem Sensorelement selbst integriert sein, beispielsweise auf eine oder mehrere der oben beschriebenen Weisen. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, den Temperaturfühler ganz oder teilweise von dem Sensorelement getrennt auszubilden. So kann der Temperaturfühler beispielsweise ein separates, beispielsweise kommerziell verfügbares, Bauteil als abtrennbare Einheit aufweisen, welche mit dem Sensorelement verbunden wird, beispielsweise an das Sensorelement angeschlossen wird. Dies kann beispielsweise über eine Klem- mung oder Lötung der Zuleitungskabel erfolgen oder über einen Materialverbund.The temperature sensor can in principle be completely or partially integrated in the sensor element itself, for example in one or more of the ways described above. Alternatively or additionally, however, it is also possible in principle to form the temperature sensor completely or partially separate from the sensor element. For example, the temperature sensor may have a separate, for example commercially available, component as a separable unit, which is connected to the sensor element, for example connected to the sensor element. This can be done, for example, via a clamping or soldering of the supply cable or via a composite material.
Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich. Wie oben dargestellt, wird neben der Sensoranordnung weiterhin ein Sensorelement vorgeschlagen, welches für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausfüh- rungsformen eingerichtet ist. Die oben dargestellte Sensoranordnung kann dementsprechend durch Verwendung eines oder mehrerer der im Folgenden beschriebenen Sensorelemente in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsvarianten weitergebildet werden. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch grundsätzlich auch die Verwendung anderer Arten von Sensorelementen mög- lieh, beispielsweise, wie oben beschrieben, die Verwendung von Sensorelementen ohne eigenen Temperaturfühler, wobei die Sensoranordnung zusätzlich einen derartigen externen Temperaturfühler umfasst. Das Sensorelement ist vorzugsweise als Zwei-Kontakt-Sensorelement ausgestaltet, weist also vorzugsweise lediglich zwei Anschlusskontakte auf. Grundsätzlich sind jedoch auch Sensor- elemente mit einer höheren Anzahl von Anschlusskontakten möglich.Various configurations are possible. As described above, in addition to the sensor arrangement, a sensor element is furthermore proposed, which is set up for use in a sensor arrangement according to the invention in accordance with one or more of the embodiments described above. Accordingly, the above-described sensor arrangement can be further developed by using one or more of the sensor elements described below in one or more of the described embodiments. Alternatively or additionally, however, the use of other types of sensor elements is possible in principle, for example, as described above, the use of sensor elements without their own temperature sensor, wherein the sensor arrangement additionally comprises such an external temperature sensor. The sensor element is preferably designed as a two-contact sensor element, thus preferably has only two connection contacts. Basically, however, sensor elements are also possible with a higher number of connection contacts.
Bei dem vorgeschlagenen Sensorelement ist der Temperaturfühler vorzugsweise zumindest teilweise als Thermistor ausgestaltet. Dies bedeutet, dass der Temperaturfühler mindestens einen Thermistor umfasst. Daneben kann der Tempera- turfühler gegebenenfalls weitere Arten von Temperaturfühler in umfassen. DerIn the proposed sensor element of the temperature sensor is preferably at least partially designed as a thermistor. This means that the temperature sensor comprises at least one thermistor. In addition, the temperature sensor may optionally include other types of temperature sensor. Of the
Temperaturfühler, insbesondere der Thermistor, umfasst mindestens eine mit der zweiten Elektrode elektrisch verbundene Innenelektrode, also eine Elektrode, welche ebenfalls in dem Referenzgasraum angeordnet ist. Diese mindestens eine Innenelektrode kann von der zweiten Elektrode getrennt ausgebildet sein und lediglich mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden sein. Vorzugsweise ist die Innenelektrode jedoch mit der zweiten Elektrode zumindest teilweise identisch. Beispielsweise können für die Innenelektrode und die zweite Elektrode ein und dieselbe Elektrode verwendet werden. Weiterhin umfasst der Temperaturfühler mindestens eine von der ersten Elektrode zumindest teilweise verschiede- ne Außenelektrode. Diese Außenelektrode kann beispielsweise wiederum auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sein und kann mit dem Messgasraum verbunden sein oder von diesem getrennt ausgebildet sein. Bevorzugt ist es jedoch, wenn diese Außenelektrode dem Gas in dem Messgasraum direkt oder indirekt, beispiels- weise über eine poröse Schutzschicht, ausgesetzt ist. Dabei sind die Innenelektrode und die Außenelektrode vorzugsweise durch mindestens ein von dem Festelektrolyten zumindest teilweise verschiedenes Widerstandsmaterial verbunden. Dieses Widerstandsmaterial kann beispielsweise ein Widerstandsmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten sein oder ein derar- tiges Material umfassen. Hierbei kommen verschiedene Widerstandsmaterialien zum Einsatz. Insbesondere lassen sich metalloxidische Materialien einsetzen, welche bekanntermaßen einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten aufweisen. Beispielsweise lassen sich Ytterbium-Terbium-X-Mischoxide einsetzen, wobei X beispielsweise Samarium und/oder Gadolinium umfassen kann. Derartige Widerstandsmaterialien sind beispielsweise aus EP 0 810 611 A1 bekannt. Auf die dort beschriebenen Widerstandsmaterialien kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise zurückgegriffen werden.Temperature sensor, in particular the thermistor, comprises at least one electrically connected to the second electrode inner electrode, that is, an electrode which is also arranged in the reference gas space. This at least one inner electrode may be formed separately from the second electrode and be electrically connected only to the second electrode. Preferably, however, the inner electrode is at least partially identical to the second electrode. For example, one and the same electrode can be used for the inner electrode and the second electrode. Furthermore, the temperature sensor comprises at least one outer electrode which is at least partially different from the first electrode. This outer electrode can, for example, in turn be arranged on a surface of a layer structure of the sensor element facing the measurement gas space and can be connected to the measurement gas space or be formed separately therefrom. However, it is preferred if this outer electrode is exposed to the gas in the measuring gas space directly or indirectly, for example via a porous protective layer. In this case, the inner electrode and the outer electrode are preferably connected by at least one resistance material which is at least partially different from the solid electrolyte. This resistance material can be, for example, a negative temperature coefficient resistor material or comprise a material of this type. Here, different resistance materials are used. In particular, it is possible to use metal-oxide materials which are known to have a resistor with a negative temperature coefficient. For example, ytterbium-terbium-X mixed oxides can be used, wherein X may comprise, for example, samarium and / or gadolinium. Such resistance materials are known, for example, from EP 0 810 611 A1. The resistor materials described there can also be used in the context of the present invention, for example.
Wird ein von dem Festelektrolyten getrennt ausgebildetes Widerstandsmaterial für den Thermistor verwendet, so bestehen verschiedene Möglichkeiten, diesesIf a resistor material formed separately from the solid electrolyte is used for the thermistor, there are various possibilities for this
Widerstandsmaterial in das Sensorelement einzubringen. Insbesondere kann das Widerstandsmaterial in ein Trägermaterial, beispielsweise eine Trägerschicht, eingebettet sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Trägermaterial, beispielsweise die Trägerschicht, eine entsprechende Öffnung aufweist, in welche das Widerstandsmaterial eingebracht wird. Dieses Einbringen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein vorgefertigtes Stück einer Schicht des Widerstandsmaterials in die Öffnung des Trägermaterials eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich lassen sich jedoch auch Pastentechniken verwenden, beispielsweise Drucktechniken, Rakeltechniken oder ähnliches, bei welchen das Widerstandsmaterial in die Öffnung in der Schicht des Trägermaterials eingebracht wird. Das Trägermaterial kann beispielsweise der Festelektrolyt selbst sein. So kann beispielsweise eine entsprechende Öffnung, welche das Widerstandsmaterial aufnehmen soll, in eine Folie des Festelektrolyten eingestanzt und/oder eingeschnitten werden. Der Festelektrolyt und das Widerstandsmaterial lassen sich getrennt optimieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Trägermaterial jedoch auch ein anderes, von dem Festelektrolyten verschiedenes Material umfassen. Beispielsweise kann das Trägermaterial ein isolierendes Material sein, beispielsweise AI2O3 und/oder eine andere Art von isolierendem Material. In diesem Fall kann beispielsweise der Festelektrolyt ebenfalls ganz oder teilweise in das Trägermaterial eingebettet sein, beispielsweise wiederum durch eine oder mehrere der oben beschriebenen Einbettungstechniken. Das Sensorelement ist vorzugsweise als Zwei-Kontakt-Sensorelement ausgestaltet. Dementsprechend ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn die Nernstzelle und der Thermistor elektrisch parallelgeschaltet werden. Diese Parallelschaltung erfolgt vorzugsweise unmittelbar auf dem Sensorelement, da sich auf diese Weise Anschlusskontakte einsparen lassen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Sensorelement einen ersten Anschlusskontakt umfasst, welcher mit der ersten Elektrode und der Außenelektrode elektrisch verbunden ist, und weiterhin einen zweiten Anschluss- kontakt, welcher mit der zweiten Elektrode und der Innenelektrode elektrisch verbunden ist. Dabei kann die obige Unterteilung eines Schaltkreises in die zwei Zweige erfolgen, wobei in dem ersten Zweig die Nernstzelle angeordnet ist, und in dem zweiten Zweig der Temperaturfühler bzw. der Thermistor.Insert resistance material in the sensor element. In particular, the resistance material can be embedded in a carrier material, for example a carrier layer. This can be done, for example, by the carrier material, for example the carrier layer, having a corresponding opening into which the resistance material is introduced. This introduction can take place, for example, by introducing a prefabricated piece of a layer of the resistance material into the opening of the carrier material. Alternatively or additionally, however, it is also possible to use paste techniques, for example printing techniques, doctoring techniques or the like, in which the resistance material is introduced into the opening in the layer of the carrier material. The carrier material may be, for example, the solid electrolyte itself. Thus, for example, a corresponding opening, which is to receive the resistance material, are punched into a foil of the solid electrolyte and / or cut. The solid electrolyte and the resistance material can be optimized separately. Alternatively or additionally, however, the carrier material may also comprise another material which differs from the solid electrolyte. For example, the carrier material may be an insulating material, for example Al 2 O 3 and / or another type of insulating material. In this case, for example, the solid electrolyte may also be completely or partially embedded in the carrier material, for example, in turn, by one or more of the embedding techniques described above. The sensor element is preferably designed as a two-contact sensor element. Accordingly, in the present invention, it is particularly preferable that the Nernst cell and the thermistor are electrically connected in parallel. This parallel connection is preferably carried out directly on the sensor element, as can be saved in this way connection contacts. This can be realized, for example, in that the sensor element comprises a first connection contact, which is electrically connected to the first electrode and the outer electrode, and also a second connection contact, which is electrically connected to the second electrode and the inner electrode. In this case, the above subdivision of a circuit can be carried out in the two branches, wherein in the first branch, the Nernst cell is arranged, and in the second branch of the temperature sensor or the thermistor.
Auch das oben beschriebene, mit dem Temperaturfühler, insbesondere demAlso the one described above, with the temperature sensor, in particular the
Thermistor, in Reihe geschaltete, optionale, kapazitive Element und/oder das mindestens eine optionale, mit der Nernstzelle in Reihe geschaltete induktive E- lement, können ganz oder teilweise direkt in dem Sensorelement integriert sein. So kann das Sensorelement ein derartiges, mit dem Thermistor in Reihe ge- schaltetes kapazitives Element und/oder ein mit der Nernstzelle in Reihe geschaltetes induktives Element umfassen. Das kapazitive Element und/oder das induktive Element können dabei beispielsweise ganz oder teilweise als gedruckte Elemente ausgestaltet sein, beispielsweise als gedruckter Kondensator und/oder als gedruckte Spule. Da gedruckte Spulen in der Regel sehr kleine Induktivitäten aufweisen, können derartige gedruckte Spulen insbesondere für Messungen mit hoher Messfrequenz eingesetzt werden, insbesondere für die Messung der Temperatursignale. Alternativ oder zusätzlich lassen sich das kapazitives Element und/oder das induktive Element auch mittels separater Bauteile ausgestalten. Insgesamt lässt sich auf diese Weise, wie oben beschrieben, die frequenzselek- tive Trennung zwischen den Signalen der Nernstzelle und den Temperatursignalen leicht bewerkstelligen.Thermistor, connected in series, optional capacitive element and / or the at least one optional inductive element connected in series with the Nernst cell may be integrated wholly or partly directly in the sensor element. Thus, the sensor element can comprise such a capacitive element connected in series with the thermistor and / or an inductive element connected in series with the Nernst cell. The capacitive element and / or the inductive element can be designed, for example, wholly or partially as printed elements, for example as a printed capacitor and / or as a printed coil. Since printed coils generally have very small inductances, such printed coils can be used in particular for measurements with a high measuring frequency, in particular for the measurement of the temperature signals. Alternatively or additionally, the capacitive element and / or the inductive element can also be configured by means of separate components. Overall, in this way, as described above, the frequency-selective separation between the signals of the Nernst cell and the temperature signals can be easily accomplished.
Die vorgeschlagene Sensoranordnung und das vorgeschlagene Sensorelement weisen gegenüber bekannten Sensoranordnungen und bekannten Sensorele- menten eine Reihe von Vorteilen auf. So lässt sich insbesondere das Sensorelement mit geringem Bauraum realisieren, insbesondere bei Integration des Temperaturfühlers in das Sensorelement. Im Vergleich zu zwei separaten Ab- gassonden lassen sich auf diese Weise kompakte und kostengünstige Sensorelemente realisieren. Dies kann insbesondere bei Zweiradapplikationen von entscheidendem Vorteil sein, in welchen derartige Sensorelemente beispielsweise in einen Krümmer und/oder einen Zylinderkopf kleiner Motoren montiert werden müssen. Da vorzugsweise vollständig auf ein Heizelement in dem Sensorelement verzichtet wird, beispielsweise in Form einer unbeheizten Lambdasonde, zeichnen sich das Sensorelement und die Sensoranordnung durch einen geringen Energiebedarf aus. Dieser geringe Energiebedarf, beispielsweise in Form ei- ner geringen Stromaufnahme, ist insbesondere bei Anwendungen mit begrenzterThe proposed sensor arrangement and the proposed sensor element have a number of advantages over known sensor arrangements and known sensor elements. Thus, in particular, the sensor element can be realized with a small space, in particular when integrating the Temperature sensor in the sensor element. In comparison to two separate exhaust gas probes, compact and inexpensive sensor elements can be realized in this way. This can be of decisive advantage, in particular in two-wheel applications, in which such sensor elements have to be mounted, for example, in a manifold and / or a cylinder head of small engines. Since it is preferable to completely dispense with a heating element in the sensor element, for example in the form of an unheated lambda probe, the sensor element and the sensor arrangement are characterized by a low energy requirement. This low energy requirement, for example in the form of a low power consumption, is limited in particular in applications
Kapazität der Energieversorgung, beispielsweise begrenzter Batteriekapazität, wiederum von entscheidender Bedeutung. Auch diesbezüglich zeichnen sich die Sensoranordnung und das Sensorelement insbesondere für den Einsatz in Zweiradapplikationen aus.Capacity of the power supply, such as limited battery capacity, in turn, of vital importance. In this respect, too, the sensor arrangement and the sensor element are characterized in particular for use in two-wheeled applications.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich mittels der oben vorgeschlagenen Konzepte insbesondere zweipolige Sensorelemente realisieren lassen, also Sensorelemente, welche lediglich zwei Anschlusskontakte aufweisen. Dadurch ergibt sich eine einfachere Verkabelung, und es können sich Kostenvorteile in der Komponenten-Konstruktion und im Steuergerät ergeben. Weitere Vorteile liegen darin, dass Anschlusskontakte in der Regel technisch sehr aufwändig herzustellen sind. Insbesondere bei Schichtaufbauten müssen tieferliegende Schichten durch Durchkontaktierungen elektrisch angeschlossen werden. Derartige Durch- kontaktierungen können jedoch Fehlerquellen darstellen und können den Aus- schuss bei der Herstellung der Sensorelemente erhöhen. Insofern lassen sich durch die vorgeschlagenen Konzepte der Sensorelemente Herstellungsverfahren vereinfachen und es lassen sich kostengünstigere und robustere Sensorelemente herstellen.A further advantage is that in particular two-pole sensor elements can be realized by means of the concepts proposed above, that is to say sensor elements which have only two connection contacts. This results in a simpler wiring, and there may be cost advantages in the component design and in the control unit. Further advantages are that connection contacts are usually technically very complex to produce. In particular, in layer structures deeper layers must be electrically connected by plated-through holes. However, such through-contacts can represent sources of error and can increase the reject in the production of the sensor elements. In this respect, the proposed concepts of the sensor elements can simplify manufacturing processes and it is possible to produce more cost-effective and robust sensor elements.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Sensorelemente und Sensoranordnungen liegt darin, dass sich mittels ein und desselben Sensorelements zwei relevante Messgrößen für die Motorsteuerung, nämlich die Temperatur und das Signal der Nernstzelle (beispielsweise der Lambdawert) erfassen lassen. Durch diese Integration lassen sich somit ebenfalls Kostenvorteile erzielen. Andererseits lässt sich das derart erfasste Signal der Nernstzelle, beispielsweise das Lamb- dasignal, auf einfache und dennoch zuverlässige Weise auswerten. So lässt sich beispielsweise die Gültigkeit des gemessenen Lambdasignals einfach bewerten, indem beispielsweise nur oberhalb einer bestimmten Schwelltemperatur der Messwert als zuverlässig auswertbar erkannt wird.A further advantage of the proposed sensor elements and sensor arrangements is that two relevant measured variables for the engine control, namely the temperature and the signal of the Nernst cell (for example the lambda value) can be detected by means of one and the same sensor element. This integration can thus also achieve cost advantages. On the other hand, the signal of the Nernst cell detected in this way, for example the lambda signal, can be evaluated in a simple yet reliable manner. That's how it works For example, simply evaluate the validity of the measured lambda signal, for example, by only above a certain threshold temperature, the measured value is recognized as reliably evaluated.
Die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen und Sensoranordnungen veränderten und gegebenenfalls erhöhten Anforderungen an die Auswertung lassen sich beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung der Steuerung, beispielsweise eine programmtechnische Ausgestaltung eines Steuergeräts, leicht realisieren. So lässt sich beispielsweise ein oben beschriebener Intervall- betrieb einer Signalverarbeitung, bei welchem ein Wechsel zwischen einer Temperaturmessung und einer Nernst-Messung (beispielsweise einer Lambdames- sung) erfolgt, leicht realisieren. Auch ein Wechsel zwischen einer Regelung und einer Steuerung, beispielsweise durch Kennlinien und/oder Kennfelder, lässt sich einfach und kostengünstig realisieren, ohne dass ein zusätzlicher Sensor zur Temperaturerfassung erforderlich wäre.The changed compared to conventional sensor elements and sensor arrangements and optionally increased requirements for the evaluation can be easily realized, for example, by appropriate design of the controller, such as a programmatic design of a control device. Thus, for example, an interval operation described above of signal processing, in which a change takes place between a temperature measurement and a Nernst measurement (for example, a lambda reading), can be implemented easily. Also, a change between a control and a control, for example by characteristics and / or maps, can be implemented easily and inexpensively, without an additional sensor for temperature detection would be required.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigenShow it
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranord- nung;1 shows a first embodiment of a sensor arrangement according to the invention;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;Figure 2 shows a second embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a first embodiment of a sensor element according to the invention;
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a second exemplary embodiment of a sensor element according to the invention;
Figur 4 ein Ersatzschaltbild für die Sensoranordnungen in den Figuren 1 bis 3 und in Figur 6; Figur 5 eine Draufsicht auf eine Oberfläche einer möglichen Ausgestaltung eines Sensorelements in den Figuren 2 und 3; undFIG. 4 shows an equivalent circuit diagram for the sensor arrangements in FIGS. 1 to 3 and in FIG. 6; Figure 5 is a plan view of a surface of a possible embodiment of a sensor element in Figures 2 and 3; and
Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.6 shows a fourth embodiment of a sensor arrangement according to the invention.
Ausführungsformenembodiments
Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, unter Bezugnahme auf Lambdasonden beschrieben, mittels derer ein Sauerstoffanteil in einem Messgasraum 1 10 bestimmt werden soll. Erfindungsgemäß werden dabei Sensoranordnungen 1 12 vorgeschlagen, welche mindestens eine Steuerung 114 und mindestens ein Sensorelement 1 16 umfas- sen, welche über eine in den Figuren lediglich symbolisch angedeutete Schnittstelle 118 miteinander in Verbindung stehen. Die Steuerung 1 14 ist dabei in den Figuren 1 , 2, 3 und 6 lediglich symbolisch angedeutet. Diese Steuerung 114 kann beispielsweise ein oder mehrere Spannungsmessvorrichtungen zum Erfassen einer Nernstspannung und/oder ein oder mehrere Stromquellen und/oder Span- nungsmessvorrichtungen zum Erfassen eines Widerstands eines Thermistors und/oder andere Messvorrichtungen und/oder Strom- und/oder Spannungsquellen umfassen. Der elektrotechnische Aufbau einer derartigen Steuerung 114 ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt bzw. lässt sich anhand der nachfolgenden Beschreibung für den Fachmann leicht erschließen. Weiterhin kann die Steue- rung 1 14 eine entsprechende Auswertung umfassen, welche, wie unten beschrieben, eine Signalauswertung vornehmen kann. Zu diesem Zweck kann die Steuerung 1 14 beispielsweise ein oder mehrere Datenverarbeitungsgeräte und/oder Datenspeicher umfassen, wobei das Datenverarbeitungsgerät beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die beschriebene Auswertung vorzunehmen. Das Datenverarbeitungsgerät und/oder der Datenspeicher können beispielsweise ganz oder teilweise Bestandteile eines Motorsteuerungsgeräts sein.The invention will be described in the following, without limitation of other possible embodiments, with reference to lambda probes, by means of which an oxygen content in a measuring gas chamber 1 10 is to be determined. According to the invention, sensor arrangements 12 are proposed, which comprise at least one controller 114 and at least one sensor element 16, which communicate with each other via an interface 118 indicated only symbolically in the figures. The controller 1 14 is indicated only symbolically in Figures 1, 2, 3 and 6. This controller 114 may comprise, for example, one or more voltage measuring devices for detecting a Nernst voltage and / or one or more current sources and / or voltage measuring devices for detecting a resistance of a thermistor and / or other measuring devices and / or current and / or voltage sources. The electrical structure of such a controller 114 is basically known to the person skilled in the art or can easily be deduced by the person skilled in the art from the following description. Furthermore, the controller 1 14 may include a corresponding evaluation, which, as described below, may perform a signal evaluation. For this purpose, the controller 1 14 may include, for example, one or more data processing devices and / or data storage, wherein the data processing device may be set up, for example, programmatically to perform the described evaluation. The data processing device and / or the data memory may, for example, be wholly or partially components of a motor control device.
Die Sensoranordnung 1 12 kann dabei auf grundsätzlich bekannte Sensorele- mente zurückgreifen und diese erfindungsgemäß einsetzen. Beispielsweise können die Sensorelemente 116 in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und Figur 6 gemäß dem Stand der Technik ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch erfindungsgemäße Sensorelemente 116 im Rahmen der Sensoranordnung 1 12 eingesetzt werden, also Sensorelemente 116, welche für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankens besonders modifiziert und besonders geeignet sind. Derartige Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensorelementen 116 sind in den Figuren 2, 3 und 5 dargestellt.The sensor arrangement 1 12 can fall back on basically known sensor elements and use these according to the invention. For example, the sensor elements 116 in the embodiments of Figure 1 and Figure 6 be configured according to the prior art. Alternatively or additionally, however, sensor elements 116 according to the invention can also be used in the context of sensor arrangement 12, that is to say sensor elements 116 which are particularly modified and particularly suitable for the implementation of the inventive concept. Such embodiments of sensor elements 116 according to the invention are shown in FIGS. 2, 3 and 5.
Die Sensorelemente 1 16 in den dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen eine Nernstzelle 120. Diese Nernstzelle 120 umfasst eine dem Messgasraum 1 10 unmittelbar oder über eine (in den Figuren nicht dargestellte) gasdurchlässige Schutzschicht ausgesetzte erste Elektrode 122, welche in den dargestellten Ausführungsbeispielen als AE (Außenelektrode) bezeichnet ist. Weiterhin umfasst die Nernstzelle 120 eine zweite Elektrode 124. Diese zweite Elektrode 124 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen in einem von dem Messgasraum 1 10 getrennt im Inneren des Sensorelements 1 16 angeordneten Referenzgasraum 126 angeordnet. Dieser Referenzgasraum 126 ist beispielsweise als Luftreferenz ausgestaltet, beispielsweise als Referenzkanal, welcher mit einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs oder einem anderweitigen Außenraum verbunden ist.The sensor elements 16 in the exemplary embodiments illustrated comprise a Nernst cell 120. This Nernst cell 120 comprises a first electrode 122 exposed to the sample gas chamber 110 directly or via a gas-permeable protective layer (not shown in the figures), which in the illustrated exemplary embodiments is designated AE (outer electrode). is designated. Furthermore, the Nernst cell 120 comprises a second electrode 124. In the exemplary embodiments illustrated, this second electrode 124 is arranged in a reference gas space 126 which is arranged separately from the sample gas chamber 110 in the interior of the sensor element 16. This reference gas space 126 is designed, for example, as an air reference, for example as a reference channel, which is connected to an engine compartment of a motor vehicle or another external space.
Weiterhin umfasst die Nernstzelle 120 einen die erste Elektrode 122 und die zweite Elektrode 124 verbindenden Festelektrolyten 128. Dieser Festelektrolyt 128 kann beispielsweise, wie oben dargestellt, YSZ und/oder ScSZ und/oder mit anderen Metalloxiden dotiertes ZrO2 umfassen. Auch andere Materialien und/oder Materialkombinationen sind jedoch grundsätzlich möglich. Da in der Regel die elektrolytische Leitfähigkeit des Festelektrolyten 128 mit steigenderFurthermore, the Nernst cell 120 comprises a solid electrolyte 128 connecting the first electrode 122 and the second electrode 124. This solid electrolyte 128 may, for example, comprise YSZ and / or ScSZ and / or ZrO 2 doped with other metal oxides as shown above. However, other materials and / or material combinations are basically possible. As a rule, the electrolytic conductivity of the solid electrolyte 128 with increasing
Temperatur zunimmt, stellt der Festelektrolyt 128 in gewisser Weise ein Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands dar (NTC-Material). Der Festelektrolyt 128 ist dementsprechend in den Figuren mit NTCi bezeichnet. Die erste Elektrode 122 und die zweite Elektrode 124 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen über Anschlussleitungen 130, 132 und über an dem Sensorelement 116 angeordnete Anschlusskontakte 134, 136 mit der Schnittstelle 118 verbunden.Temperature increases, the solid electrolyte 128 is in some ways a material with a negative temperature coefficient of electrical resistance (NTC material). The solid electrolyte 128 is accordingly designated NTCi in the figures. In the exemplary embodiments illustrated, the first electrode 122 and the second electrode 124 are connected to the interface 118 via connection lines 130, 132 and via connection contacts 134, 136 arranged on the sensor element 116.
Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 112 mindestens einen Temperaturfühler 138. Dieser Temperaturfühler 138 ist dabei in allen Beispielen exemplarisch alsFurthermore, the sensor arrangement 112 comprises at least one temperature sensor 138. This temperature sensor 138 is exemplary in all examples
Thermistor 140 ausgestaltet, also als Widerstand, dessen Widerstandswert von der Temperatur des Gases im Messgasraum 1 10 abhängt. Die Ausführungsbeispiele der Sensoranordnung 1 12 und der Sensorelemente 116, wie sie in den Figuren 1 bis 6 dargestellt sind, unterscheiden sich dabei hinsichtlich der Anordnung und Ausgestaltung dieses Temperaturfühlers 138. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 3 und 6 vier verschiedene Ausführungsbeispiele von SensoranordnungenThermistor 140 configured, so as a resistor whose resistance value of the temperature of the gas in the measuring gas chamber 1 10 depends. The exemplary embodiments of the sensor arrangement 1 12 and of the sensor elements 116, as shown in FIGS. 1 to 6, differ with respect to the arrangement and configuration of this temperature sensor 138. FIGS. 1 to 3 and 6 show four different embodiments of sensor arrangements
1 12, mit jeweils unterschiedlicher Ausgestaltung und Anordnung des Temperaturfühlers 138. In sämtlichen Fällen werden Thermistoren 140 verwendet, welche ein Widerstandsmaterial 142 umfassen, das beispielsweise einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweist. In Unterscheidung zum Festelektrolyten 128 wird dieses Widerstandsmaterial 142 in den Figuren mit NTC2 bezeichnet.In each case, thermistors 140 are used, which comprise a resistance material 142 having, for example, a negative temperature coefficient (NTC). In contrast to the solid electrolyte 128, this resistance material 142 is designated NTC 2 in the figures.
Die vier Ausführungsbeispiele der Sensoranordnung 112 werden im Folgenden kurz beschrieben.The four embodiments of the sensor arrangement 112 will be briefly described below.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 112 darge- stellt, bei welchem der Festelektrolyt 128 beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zir- kondioxid umfassen kann. Hier wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen können die Elektroden 122, 124 beispielsweise als Cermet-Elektroden ausgestaltet sein, beispielsweise als Platin-Cermet-Elektroden. Die Nernstzelle 120, welche die erste Elektrode 122 (Außenelektrode, AE), den Festelektrolyten 128 und die zweite Elektrode 124 (Innenelektrode, IE) umfasst, wird gleichzeitig auch alsFIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a sensor arrangement 112, in which the solid electrolyte 128 may comprise, for example, yttrium-stabilized zirconium dioxide. Here as well as in the other exemplary embodiments, the electrodes 122, 124 may be designed, for example, as cermet electrodes, for example as platinum cermet electrodes. The Nernst cell 120, which includes the first electrode 122 (outer electrode, AE), the solid electrolyte 128 and the second electrode 124 (inner electrode, IE), is also referred to as
Temperaturfühler 138 eingesetzt und bildet somit ein temperaturabhängiges Widerstandselement (Thermistor 140), das als resistiver Temperaturmessfühler genutzt wird. Die Steuerung 114 kann beispielsweise eingerichtet sein, um in Intervallen abwechselnd die Nernstspannung an der Nernstzelle 120 zu erfassen (Gleichspannung) und, alternierend hierzu, die Temperatur im MessgasraumTemperature sensor 138 is inserted and thus forms a temperature-dependent resistance element (thermistor 140), which is used as a resistive temperature sensor. For example, the controller 114 may be configured to alternately detect at intervals the Nernst voltage at the Nernst cell 120 (DC voltage) and, alternately, the temperature in the sample gas space
1 10, ausgedrückt durch den Widerstand des Thermistors 140. Die Steuerung 1 14 kann, wie oben beschrieben, beispielsweise derart eingerichtet sein, dass nur Lambdasignale der Nernstzelle 120 bewertet werden, welche oberhalb einer vorgegebenen Schwelltemperatur liegen. Auch andere Auswertungsverfahren unter Berücksichtigung der Temperatur im Messgasraum 1 10 sind möglich.1 10, expressed by the resistance of the thermistor 140. The controller 1 14, as described above, for example, be set up so that only lambda signals of the Nernst cell 120 are evaluated, which are above a predetermined threshold temperature. Other evaluation methods taking into account the temperature in the sample gas chamber 1 10 are possible.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird also das Material des Festelektrolyten 128 gleichzeitig als Widerstandsmaterial 142 des Thermistors 140 verwendet. Hierdurch lässt sich ein sehr einfacher Aufbau des Sensorelements 116 realisieren. Durch die zeitliche Abfolge von Temperaturmessungen undIn the embodiment according to FIG. 1, therefore, the material of the solid electrolyte 128 is simultaneously used as resistance material 142 of the thermistor 140. This makes it possible to realize a very simple construction of the sensor element 116. Through the temporal sequence of temperature measurements and
Nernstspannungsmessungen lässt sich eine gegenseitige Störung der Messun- gen vermeiden. Nachteilig an der Sensoranordnung 112 gemäß Figur 1 kann jedoch sein, dass in diesem Fall eine gleichzeitige Optimierung der Materialeigenschaften des Festelektrolyten 128 erfolgen muss, um sowohl als Trägermaterial als auch als Sauerstoffionenleiter als auch als Widerstandsmaterial 128 zu die- nen. Hieraus kann sich gegebenenfalls eine geringere Genauigkeit und Sensordynamik ergeben.Nernst voltage measurements can be a mutual interference of Messun- avoid it. A disadvantage of the sensor arrangement 112 according to FIG. 1, however, may be that in this case a simultaneous optimization of the material properties of the solid electrolyte 128 must take place in order to serve both as a carrier material and as an oxygen ion conductor as well as a resistance material 128. This may possibly result in lower accuracy and sensor dynamics.
In Figur 2 ist daher ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 112 gezeigt, welches diesen Nachteil überwindet. Prinzipiell entspricht das dabei verwendete Sensorelement 116 weitgehend dem Sensorelement 1 16 gemäß Figur 1. Im Gegensatz zum dort dargestellten Aufbau, sind der Temperaturfühler 138 und die Nernstzelle 120 jedoch getrennt ausgestaltet. Der Temperaturfühler 138 umfasst eine in diesem Ausführungsbeispiel mit der zweiten Elektrode 124 identische bzw. zusammengefasste Innenelektrode 144 in dem Referenzgasraum 126, je- doch eine von der ersten Elektrode 122 getrennt ausgebildete, dem Referenzgasraum 1 10 ausgesetzte Außenelektrode 146. Weiterhin umfasst der Temperaturfühler 138 ein Widerstandsmaterial 142, welches die Innenelektrode 144 und die Außenelektrode 146 miteinander verbindet. Dieses Widerstandsmaterial 142 ist in diesem Ausführungsbeispiel von dem Material des Festelektrolyten 128 ge- trennt. Der Festelektrolyt 128 wirkt dabei als Trägermaterial 148, insbesondere als Trägerschicht, in welche das Widerstandsmaterial 142 eingefügt ist. Beispielsweise kann der Festelektrolyt 128 als Keramikfolie ausgestaltet sein, und das Widerstandsmaterial 142 kann als Thermistor-Material in dieses Trägermaterial 148 eingebettet sein. Das Widerstandsmaterial 142 kann dementsprechend optimiert sein, um die Temperatur im relevanten Abgastemperaturbereich, beispielsweise zwischen 300 0C und 1000 0C, zu optimieren. Das Widerstandsmaterial 142 ist dementsprechend in Figur 2 mit NTC2 bezeichnet. Derartige optimierte Widerstandsmaterialien 142 sind aus dem Stand der Technik bereits als Materialien in einzelnen Temperaturfühlern bekannt. Besonders geeignet für die Ausfüh- rung gemäß Figur 2 sind beispielsweise Y-Tb-X-Mischoxide, wobei X beispielsweise Samarium und/oder Gadolinium sein kann. Derartige Materialien können bei Temperaturen bis über 1 100 0C als Thermistoren einsetzbar sein. Ein Vorteil derartiger Materialien besteht darin, dass diese keine Phasenumwandlung erfahren, dass diese mit den typischen Keramiken des Festelektrolyten 128 kompati- bei sind und insbesondere mit diesen auch gleichzeitig herstellbar sind, beispielsweise durch so genanntes Co-Firing. Das Widerstandsmaterial 142 kann in das Trägermaterial 148, beispielsweise in die YSZ-T rägerfolie, insbesondere mittels eines oder mehrerer der folgenden keramischen Fertigungsprozesse eingefügt werden: Einbettung als Inlay oder Stanzling in das Trägermaterial 148 (so genannte Grünfolientechnologie) und/oder als Paste bzw. Extrudermasse zur Füllung von hierfür vorgesehenen Aussparungen. Das eingefügte Widerstandsmaterial 142, beispielsweise das NTC2-lnlay, kann durch weitere Maßnahmen zusätzlich gegenüber dem Trägermaterial 148 abgedichtet werden. Beispielsweise kann eine Abdichtung optional durch eine Verglasung erfolgen.In Figure 2, therefore, an embodiment of a sensor arrangement 112 is shown, which overcomes this disadvantage. In principle, the sensor element 116 used here largely corresponds to the sensor element 16 according to FIG. 1. In contrast to the construction shown there, however, the temperature sensor 138 and the Nernst cell 120 are configured separately. The temperature sensor 138 comprises an inner electrode 144 in the reference gas space 126 which is identical or combined with the second electrode 124 in this exemplary embodiment, but has an outer electrode 146 which is separated from the first electrode 122 and exposed to the reference gas space 110. Furthermore, the temperature sensor 138 comprises a Resistor material 142, which connects the inner electrode 144 and the outer electrode 146 with each other. This resistance material 142 is separated from the material of the solid electrolyte 128 in this embodiment. The solid electrolyte 128 acts as a carrier material 148, in particular as a carrier layer into which the resistance material 142 is inserted. For example, the solid electrolyte 128 may be configured as a ceramic foil, and the resistance material 142 may be embedded as a thermistor material in this carrier material 148. The resistance material 142 may accordingly be optimized to optimize the temperature in the relevant exhaust gas temperature range, for example between 300 ° C. and 1000 ° C. The resistance material 142 is accordingly designated NTC 2 in FIG. Such optimized resistance materials 142 are already known from the prior art as materials in individual temperature sensors. Particularly suitable for the embodiment according to FIG. 2 are, for example, Y-Tb-X mixed oxides, where X may be, for example, samarium and / or gadolinium. Such materials can be used at temperatures above 1 100 0 C as thermistors. An advantage of such materials is that they undergo no phase transformation, that they are compatible with the typical ceramics of the solid electrolyte 128 and, in particular, can also be produced simultaneously with these, for example by so-called co-firing. The resistance material 142 may be in the support material 148, for example, in the YSZ Tarrägerfolie, in particular by means of one or more of the following ceramic manufacturing processes are embedded: embedding as inlay or stamped into the substrate 148 (so-called green film technology) and / or as a paste or extruder mass for filling this provided recesses. The inserted resistance material 142, for example the NTC 2 -lnlay, can additionally be sealed off from the carrier material 148 by further measures. For example, a seal can optionally be made by glazing.
Die Kontaktierung des Thermistors 140 bzw. von dessen Elektroden 144, 146 kann über dieselben Anschlussleitungen 130, 132 erfolgen, welche auch zur Kontaktierung der ersten Elektrode 122 und der zweiten Elektrode 124 eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden elektronischen Schaltkreises wird unten anhand der Figuren 4 und 5 erläutert.The contacting of the thermistor 140 or of its electrodes 144, 146 can take place via the same connection lines 130, 132, which are also used for contacting the first electrode 122 and the second electrode 124. An embodiment of a corresponding electronic circuit is explained below with reference to Figures 4 and 5.
Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 112 weist gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 den Vorteil auf, dass das Widerstandsmaterial 142 gezielt für die Temperaturmessung auswählbar ist und somit getrennt von dem Festelektrolyten 128 optimierbar ist. Die Dimensionierung des Widerstandsmaterials 142 sollte dabei derart hochohmig ausgestaltet werden, dass der Grenzstrom des optional als Referenzluftkanal ausgestalteten Referenzgasraums 126 durch einen Kurzschlussstrom der Nernstzelle nicht überschritten wird. Auf diese Weise lässt sich ein Auftreten von CSD (characteristic shift down, beispielsweise Beladung der zweiten Elektrode 124 durch Fettgase) wirksam vermeiden. Insgesamt lässt sich durch die getrennte Optimierung desThe embodiment of the sensor arrangement 112 shown in FIG. 2 has the advantage over the exemplary embodiment in FIG. 1 that the resistance material 142 can be selected specifically for the temperature measurement and thus can be optimized separately from the solid electrolyte 128. The dimensioning of the resistance material 142 should be designed so high impedance that the limiting current of optionally configured as a reference air duct reference gas space 126 is not exceeded by a short-circuit current of the Nernst cell. In this way, an occurrence of CSD (characteristic shift down, for example, loading of the second electrode 124 by fat gases) can be effectively avoided. Overall, the separate optimization of the
Widerstandsmaterials 142, unabhängig vom Festelektrolyten 128, eine höhere Genauigkeit für die Temperaturmessung und damit für die gesamte Messung der Sensoranordnung 1 12 erzielen.Resistance material 142, regardless of the solid electrolyte 128, a higher accuracy for the temperature measurement and thus for the entire measurement of the sensor assembly 1 12 achieve.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1 12 und des Sensorelements 1 16 gemäß Figur 2 dient der Festelektrolyt 128 selbst als Trägermaterial 148, in welches das Widerstandsmaterial 142 eingefügt ist, beispielsweise als Inlay. Damit muss der Festelektrolyt 128 jedoch in der Regel noch auf zwei Anforderungen hin gleichzeitig optimiert werden, nämlich auf die Trägerfunktion und auf die Festelektrolyt-Funktion. Hier besteht jedoch häufig ein Zielkonflikt, wel- cher darin liegt, dass eine steigende lonenleitfähigkeit in vielen Fällen mit einer verringerten mechanischen Festigkeit erkauft werden muss.In the exemplary embodiment of the sensor arrangement 1 12 and of the sensor element 1 16 according to FIG. 2, the solid electrolyte 128 itself serves as carrier material 148 into which the resistance material 142 is inserted, for example as an inlay. As a result, however, the solid electrolyte 128 generally has to be optimized simultaneously for two requirements, namely the carrier function and the solid electrolyte function. However, there is often a conflict of objectives here, which The reason is that an increasing ionic conductivity in many cases has to be paid for with a reduced mechanical strength.
Figur 3 zeigt demgegenüber ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 1 12 und eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 16, bei welchem auch derIn contrast, FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 12 and of a sensor element 1 16 according to the invention, in which also the
Festelektrolyt 128 in ein von dem Festelektrolyten 128 getrennt ausgebildetes Trägermaterial 148 eingebettet ist. Das Ausführungsbeispiel entspricht ansonsten weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, so dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figur verwiesen werden kann. Als Trägermaterial 148 kann beispielsweise ein elektrisch isolierender Keramikträger, beispielsweiseSolid electrolyte 128 is embedded in a separately formed from the solid electrolyte 128 carrier material 148. Otherwise, the exemplary embodiment largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 2, so that reference can largely be made to the description of this figure. As carrier material 148, for example, an electrically insulating ceramic carrier, for example
AI2O3, verwendet werden. Dann können der Festelektrolyt 128 und das Widerstandsmaterial 142 getrennt optimiert werden, wobei der Festelektrolyt 128 für eine lonenleitung, beispielsweise eine Sauerstoffionenleitung, und/oder eine Lambdawertbestimmung, optimiert werden kann, und das Widerstandsmaterial 142 für eine Temperaturmessung. Der Festelektrolyt 128 und das Widerstandsmaterial 142 können beispielsweise wiederum getrennt in das Trägermaterial 148, beispielsweise in eine Trägerfolie, eingefügt werden. Für die Einfügetechniken kann auf die obige Beschreibung der Einfügung des Widerstandsmaterials 142 gemäß Figur 2 verwiesen werden. Auf diese Weise lassen sich Funktions- vorteile durch gezielt ausgewählte Materialien sowohl für die Lambdamessung mittels der Nernstzelle 120 erzielen, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit, Dynamik und des Niedertemperaturverhaltens, als auch für die Temperaturmessung mittels des Thermistors 140, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit ü- ber einen großen Messbereich. Gleichzeitig lässt sich das Trägermaterial 148 auf eine optimale Festigkeit und gegebenenfalls auf weitere Eigenschaften hin verbessern, beispielsweise hinsichtlich einer isolierenden Eigenschaft.AI 2 O 3 , are used. Then, the solid electrolyte 128 and the resistive material 142 may be separately optimized, where the solid electrolyte 128 may be optimized for ion conduction, such as oxygen ion conduction, and / or lambda determination, and the resistive material 142 for temperature measurement. The solid electrolyte 128 and the resistance material 142 may, for example, in turn be inserted separately into the carrier material 148, for example into a carrier foil. For the insertion techniques, reference may be made to the above description of the insertion of the resistance material 142 according to FIG. In this way, functional advantages can be achieved by selectively selected materials both for the lambda measurement by means of the Nernst cell 120, in particular with regard to the accuracy, dynamics and low-temperature behavior, as well as for the temperature measurement by means of the thermistor 140, in particular with regard to the accuracy over one large measuring range. At the same time, the carrier material 148 can be improved to an optimum strength and optionally to further properties, for example with regard to an insulating property.
Bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 und 3 lassen sich insbesondere die Nernstzelle 120 und der Thermistor 140 parallelschalten. Dies kann bei- spielsweise gemäß den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen erfolgen. Dabei zeigt Figur 4 ein Ersatzschaltbild der Parallelschaltung aus Nernstzelle 120 und Thermistor 140, und Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine dem Messgasraum 110 zuweisende Oberfläche einer möglichen Abwandlung der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele eines Sensorelements 116. Dabei sind die Nernstzelle 120 und der Temperaturfühler 138 in einemIn the exemplary embodiments in FIGS. 2 and 3, in particular the Nernst cell 120 and the thermistor 140 can be connected in parallel. This can be done, for example, according to the embodiments shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the parallel circuit comprising Nernst cell 120 and thermistor 140, and FIG. 5 shows a plan view of a surface of a possible modification of the sample gas chamber 110 of a possible modification of the exemplary embodiments of a sensor element 116 shown in FIGS. 2 and 3. Here, the Nernst cell 120 and the temperature sensor 138 in one
Schaltkreis der Sensoranordnung 1 12 derart miteinander verschaltet, dass diese in unterschiedlich angeordneten Zweigen 150, 152 aufgenommen sind. In einem ersten Zweig 150 des Schaltkreises ist dabei die Nernstzelle 120 aufgenommen, wohingegen in einem zweiten Zweig 152, welcher dem ersten Zweig 150 parallelgeschaltet ist, der Thermistor 140 aufgenommen ist. Weiterhin ist in dem zwei- ten Zweig 152 optional ein kapazitives Element 154 in Form beispielsweise eines gedruckten Kondensators aufgenommen, welches in Reihe zu dem Thermistor 140 geschaltet ist. Der Thermistor 140 ist also in diesem Ausführungsbeispiel über einen Kondensator in Reihe zur Nernstzelle 120 parallelgeschaltet. Für das kapazitive Element 154 bieten sich beispielsweise Kapazitäten von 100 pF bis 1 μF an, vorzugsweise von ca. 1 nF. Für diese bevorzugte Wahl der Kapazitäten bleibt die DC-Auswertung der Nernstzelle 120 erhalten, da bei niedrigen Frequenzen der zweite Zweig 152 sperrt. Ein Kurzschluss der Nernstzelle 120 über den zweiten Zweig 152 wird vermieden. Die Temperaturmessung kann dann bei Frequenzen beispielsweise oberhalb von 1 kHz erfolgen, wohingegen die Lamb- damessung nur bis 10 Hz ausgewertet wird. Dadurch können die Informationen getrennt werden.Circuit of the sensor assembly 1 12 interconnected in such a way that this are accommodated in differently arranged branches 150, 152. In a first branch 150 of the circuit while the Nernstzelle 120 is received, whereas in a second branch 152, which is connected in parallel to the first branch 150, the thermistor 140 is received. Furthermore, a capacitive element 154 in the form of, for example, a printed capacitor, which is connected in series with the thermistor 140, is optionally accommodated in the second branch 152. The thermistor 140 is thus connected in parallel in this embodiment via a capacitor in series with the Nernst cell 120. For example, capacitances of 100 pF to 1 μF, preferably of about 1 nF, are suitable for the capacitive element 154. For this preferred choice of capacitances, the DC evaluation of the Nernst cell 120 is maintained because at low frequencies the second branch 152 blocks. A short circuit of the Nernst cell 120 via the second branch 152 is avoided. The temperature measurement can then take place at frequencies, for example above 1 kHz, whereas the lambda measurement is evaluated only up to 10 Hz. This allows the information to be separated.
Weiterhin kann in dem ersten Zweig 150, in welchem die Nernstzelle 120 aufgenommen ist, auch ein induktives Element 156 aufgenommen seien, was in Figur 4 symbolisch dargestellt ist und beispielsweise auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 und/oder in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 und 3 realisiert werden kann. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ersatzschaltbild ist dabei die Nernstzelle 120 symbolisch durch eine Nernstspannungsquelle 158 (mit UN bezeichnet) und den zu dieser Nernstspannungsquelle 158 in Reihe ge- schalteten Festelektrolyten 128 symbolisiert. Durch Einfügen des induktiven E- lements 156 in den ersten Zweig 150 des Schaltkreises fällt der Widerstand des Festelektrolyten 128 gegenüber dem Widerstand des Widerstandsmaterials 142 des Thermistors 140 bei der Messgenauigkeit des Thermistors 140 nicht oder nur noch unwesentlich ins Gewicht, und die volle Messgenauigkeit des Thermistors 140 kann genutzt werden.Furthermore, an inductive element 156 may also be accommodated in the first branch 150, in which the Nernst cell 120 is accommodated, which is shown symbolically in FIG. 4 and, for example, also in the exemplary embodiment according to FIG. 5 and / or in the exemplary embodiments according to FIGS and 3 can be realized. In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 4, the Nernst cell 120 is symbolically symbolized by a Nernst voltage source 158 (denoted by U N ) and the solid electrolyte 128 connected in series to this Nernst voltage source 158. By inserting the inductive element 156 into the first branch 150 of the circuit, the resistance of the solid electrolyte 128 with respect to the resistance of the resistance material 142 of the thermistor 140 in the measurement accuracy of the thermistor 140 is not or only insignificantly, and the full measurement accuracy of the thermistor 140 can be used.
Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 und 5 ist der Schaltkreis, über welchen die Nernstzelle 120 und der Temperaturfühler 138 einander parallelgeschaltet sind, vollständig in oder auf dem Sensorelement 116 aufgenommen. Bei- spielsweise kann dies durch entsprechende gedruckte Anschlussleitungen 130,In the embodiments according to FIGS. 4 and 5, the circuit via which the Nernst cell 120 and the temperature sensor 138 are connected in parallel to one another is completely accommodated in or on the sensor element 116. For example, this can be achieved by corresponding printed connection lines 130,
132 erfolgen. Weiterhin ist der Temperaturfühler 138 vollständig in das Sensor- element 1 16 integriert. Auch eine hiervon abweichende Ausgestaltung ist jedoch grundsätzlich möglich. Ein Beispiel einer derartigen abweichenden Ausgestaltung ist in Figur 6 dargestellt, welche wiederum eine Sensoranordnung 112 mit einem Sensorelement 1 16 zeigt. Dabei entspricht das Sensorelement 1 16 in dem dar- gestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise weitgehend dem Sensorelement132 done. Furthermore, the temperature sensor 138 is completely in the sensor integrated into element 1 16. However, a different design is also possible in principle. An example of such a deviating embodiment is shown in FIG. 6, which in turn shows a sensor arrangement 112 with a sensor element 16. In this case, the sensor element 1 16 in the illustrated exemplary embodiment largely corresponds to the sensor element, for example
1 16 gemäß Figur 1. Insofern kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird jedoch in dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die Nernstzelle 120 nicht gleichzeitig auch als Temperaturfühler 138 verwendet. Auch ist nicht, wie in den Figuren 2 und 3, ein in das Sensorelement 1 16 integrierter Temperaturfühler1 16 according to FIG. 1. In this respect, reference may be made, for example, to the above description. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, however, in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 6, the Nernst cell 120 is not simultaneously used as a temperature sensor 138 as well. Also not, as in Figures 2 and 3, in the sensor element 1 16 integrated temperature sensor
138 vorgesehen, sondern ein Temperaturfühler 138, beispielsweise ein Thermistor 140, welcher als separates, nicht-integriertes Bauteil ausgestaltet ist. So kann beispielsweise als Temperaturfühler 138 ein separates und kommerziell verfügbares Bauteil verwendet werden. Der Temperaturfühler 138 kann bei- spielsweise als abtrennbare Einheit an das Sensorelement 116 angeschlossen sein. Dies kann beispielsweise über eine Klemmung oder Lötung der Zuleitungskabel erfolgen, und/oder über einen Materialverbund, beispielsweise mit einer gedruckten Zuleitung 130, 132 für die Nernstzelle 120 auf dem Keramiksubstrat.138, but a temperature sensor 138, such as a thermistor 140, which is designed as a separate, non-integrated component. For example, as a temperature sensor 138, a separate and commercially available component can be used. The temperature sensor 138 may, for example, be connected to the sensor element 116 as a detachable unit. This can be done for example by clamping or soldering the supply cable, and / or via a composite material, for example, with a printed lead 130, 132 for the Nernstzelle 120 on the ceramic substrate.
Analog zu den Ausführungsbeispielen in den Figuren 4 und 5 kann beispielsweise wiederum eine Parallelschaltung des Temperaturfühlers 138 und der Nernstzelle 120 erfolgen, mit zwei parallelgeschalteten Zweigen 150, 152, wie in Figur 6 dargestellt. Auch können wiederum optional ein kapazitives Element 154 in dem zweiten Zweig 152 und/oder ein (in Figur 6 nicht dargestelltes) induktives EIe- ment 156 in dem ersten Zweig 150 vorgesehen sein, welche wiederum in Reihe mit dem Temperaturfühler 138 bzw. der Nernstzelle 120 geschaltet sein können.Analogous to the exemplary embodiments in FIGS. 4 and 5, for example, a parallel connection of the temperature sensor 138 and the Nernst cell 120 can take place, with two branches 150, 152 connected in parallel, as shown in FIG. Again, optionally, a capacitive element 154 in the second branch 152 and / or an inductive element 156 (not shown in FIG. 6) may be provided in the first branch 150, which in turn may be connected in series with the temperature sensor 138 or the Nernst cell 120 can be switched.
Ein Vorteil des in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Keramikprozesse, welche für die Herstellung des Sensorelements 1 16 erforder- lieh sind, stark vereinfacht werden können. So müssen insbesondere das Widerstandsmaterial 142 und/oder das kapazitive Element 154 und/oder das induktive Element 156 bei der Herstellung des Sensorelements 1 16 nicht notwendigerweise mitgesintert werden. Weiterhin lässt sich die oben beschriebene Abdichtungsproblematik, welche sich typischerweise bei der Integration des Widerstandsma- terials 142 in einen Schichtaufbau einer Nernstzelle 120 bzw. eines Sensorelements 116 ergibt, vermeiden. Bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 4, 5 und 6 lassen sich das kapazitive Element 154 und/oder das induktive Element 156 beispielsweise als gedruckte Elemente ausführen. So kann beispielsweise ein Kondensator vorteil- hafterweise als Dickschichtelement direkt auf dem Sensorelement 1 16 aufgebaut werden, beispielsweise mittels übereinander liegender und/oder in einer Ebene angeordneter Druckschichten. Dabei kann beispielsweise eine AI2O3-Schicht und/oder eine Schicht eines anderen Isolatormaterials, insbesondere eines Materials mit hoher relativer Permitivität εr, auf eine erste Elektrodenfläche, beispiels- weise eine Platinfläche, gedruckt werden. Anschließend kann eine zweite Elektrodenfläche, beispielsweise eine zweite Platinfläche, über diesen Aufbau gedruckt werden, so dass ein Sandwich-Aufbau entsteht, welcher als kapazitives Element 154 wirkt. Das induktive Element 156 lässt sich auf ähnliche Weise durch eine Drucktechnik erzeugen.An advantage of the embodiment shown in FIG. 6 is that the ceramic processes which are required for the production of the sensor element 16 can be greatly simplified. In particular, the resistance material 142 and / or the capacitive element 154 and / or the inductive element 156 need not necessarily be sintered in the manufacture of the sensor element 16. Furthermore, the sealing problem described above, which typically results in the integration of the resistor material 142 into a layer structure of a Nernst cell 120 or of a sensor element 116, can be avoided. In the exemplary embodiments in FIGS. 4, 5 and 6, the capacitive element 154 and / or the inductive element 156 can be embodied, for example, as printed elements. Thus, for example, a capacitor may advantageously be constructed as a thick-film element directly on the sensor element 16, for example by means of superimposed and / or printed layers arranged in a plane. In this case, for example, an Al 2 O 3 layer and / or a layer of another insulator material, in particular a material having high relative permittivity ε r , can be printed on a first electrode surface, for example a platinum surface. Subsequently, a second electrode surface, for example a second platinum surface, can be printed over this structure, so that a sandwich structure is created, which acts as a capacitive element 154. The inductive element 156 can be similarly produced by a printing technique.
Die Sensorelemente 1 16 in den dargestellten Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 6 lassen sich auf herkömmliche Weise integrieren, beispielsweise in ein (in den Figuren nicht dargestelltes) Sondengehäuse. Beispielsweise lassen sich Sondengehäuse mit einem Gewinde von 12 mm oder 18 mm verwenden, al- so beispielsweise üblichen Gewindegrößen für Abgassonden. Die Sensorelemente 1 16 können insbesondere als zwei-polige Sensorelemente 116, also als Sensorelemente 1 16 mit lediglich zwei Anschlusskontakten 134, 136, ausgestaltet sein, so dass beispielsweise zwei-polige Sondengehäuse verwendet werden können. Auf diese Weise lassen sich kleinvolumige, kostengünstige und einfach und robust herstellbare Sensorelemente 116 realisieren, welche, gemeinsam mit der Steuerung 1 14, als Sensoranordnung 1 12 beispielsweise in Zweiradapplikationen eingesetzt werden können. The sensor elements 1 16 in the illustrated embodiments according to the figures 1 to 6 can be integrated in a conventional manner, for example in a (not shown in the figures) probe housing. For example, probe housings with a thread of 12 mm or 18 mm can be used, for example customary thread sizes for exhaust gas probes. The sensor elements 1 16 can in particular be configured as two-pole sensor elements 116, that is to say as sensor elements 1 16 with only two connection contacts 134, 136, so that, for example, two-pole probe housings can be used. In this way, small-volume, inexpensive and simple and robust to produce sensor elements 116 can be realized, which, together with the controller 1 14, can be used as a sensor assembly 1 12, for example in two-wheel applications.

Claims

Ansprüche claims
1. Sensoranordnung (112) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (1 10), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, wobei die Sensoranordnung (112) mindes- tens ein Sensorelement (1 16) umfasst, wobei das Sensorelement (1 16) mindestens eine Nernstzelle (120) mit mindestens einer mit dem Gas aus dem Messgasraum (1 10) beaufschlagbaren ersten Elektrode (122), mindestens einer in einem Referenzgasraum (126) angeordneten zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (122) und die zweite Elekt- rode (124) verbindenden Festelektrolyten (128) aufweist, wobei die Sensoranordnung (1 12) mindestens einen Temperaturfühler (138) zur Erfassung einer Temperatur des Gases in dem Messgasraum (1 10) aufweist, wobei die Sensoranordnung (112) mindestens eine Steuerung (114) umfasst und eingerichtet ist, um ein Signal der Nernstzelle (120) zu erfassen und unter Be- rücksichtigung der Temperatur auszuwerten.1. Sensor arrangement (112) for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space (110), in particular for determining a portion of a gas component, wherein the sensor arrangement (112) comprises at least one sensor element (16), wherein the sensor element ( 1 16) at least one Nernst cell (120) having at least one first electrode (122) to be acted upon by the gas from the measurement gas space (110), at least one second electrode (124) arranged in a reference gas space (126) and at least one first electrode ( 122) and the second electrode (124) connecting solid electrolyte (128), wherein the sensor arrangement (1 12) at least one temperature sensor (138) for detecting a temperature of the gas in the sample gas space (1 10), wherein the sensor arrangement ( 112) comprises at least one controller (114) and is arranged to detect a signal of the Nernst cell (120) and evaluate it taking into account the temperature.
2. Sensoranordnung (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswertung des Signals der Nernstzelle (120) nach einem Schwellwertverfahren erfolgt, insbesondere einem Schwellwertverfahren, bei welchem das Signal der Nernstzelle (120) nur ausgewertet wird, wenn die Temperatur o- berhalb mindestens einer Schwelltemperatur liegt.2. Sensor arrangement (1 12) according to the preceding claim, wherein the evaluation of the signal of the Nernst cell (120) takes place according to a threshold value method, in particular a threshold value method, in which the signal of the Nernst cell (120) is only evaluated when the temperature above at least one threshold temperature.
3. Sensoranordnung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturfühler (138) und die Nernstzelle (120) zumindest teilweise i- dentisch sind, wobei die Steuerung (1 14) eingerichtet ist, um die Erfassung der Temperatur und die Erfassung des Signals der Nernstzelle (120) zeitlich getrennt durchzuführen.3. Sensor arrangement (112) according to one of the preceding claims, wherein the temperature sensor (138) and the Nernst cell (120) are at least partially identical, wherein the controller (1 14) is adapted to the detection of the temperature and the detection of the Signal of the Nernst cell (120) carried out separately in time.
4. Sensoranordnung (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Tem- peraturfühler (138) und die Nernstzelle (120) zumindest teilweise getrennt ausgebildet sind. 4. Sensor arrangement (112) according to one of claims 1 to 3, wherein the temperature sensor (138) and the Nernst cell (120) are formed at least partially separated.
5. Sensoranordnung (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Nernstzelle (120) in mindestens einem ersten Zweig (150) eines Schaltkreises der Sensoranordnung (1 12) angeordnet ist, wobei der Temperaturfühler (138) in mindestens einem zweiten Zweig (152) des Schaltkreises angeordnet ist, wobei der erste Zweig (150) und der zweite Zweig (152) parallel geschaltet sind.5. Sensor arrangement (112) according to the preceding claim, wherein the Nernst cell (120) in at least a first branch (150) of a circuit of the sensor arrangement (1 12) is arranged, wherein the temperature sensor (138) in at least one second branch (152). the circuit is arranged, wherein the first branch (150) and the second branch (152) are connected in parallel.
6. Sensoranordnung (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Signal der Nernstzelle (120) und ein6. Sensor arrangement (112) according to the preceding claim, wherein the controller (114) is adapted to the signal of Nernstzelle (120) and a
Signal des Temperaturfühlers (138) durch frequenzselektive Auswertung zu trennen.Separate signal from temperature sensor (138) by frequency-selective evaluation.
7. Sensoranordnung (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Zweig (152) zusätzlich mindestens ein kapazitives E- lement (154) aufgenommen ist.7. Sensor arrangement (112) according to one of the two preceding claims, wherein in the second branch (152) in addition at least one capacitive element (154) is received.
8. Sensoranordnung (112) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei in den ersten Zweig (150) zusätzlich mindestens ein induktives EIe- ment (156) aufgenommen ist.8. Sensor arrangement (112) according to one of the three preceding claims, wherein in the first branch (150) in addition at least one inductive element EI (156) is received.
9. Sensorelement (1 16) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (1 10), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, wobei das Sensorelement (1 16) mindestens ei- ne Nernstzelle (120) mit mindestens einer mit dem Gas aus dem Messgasraum (1 10) beaufschlagbaren ersten Elektrode (122), mit mindestens einer in einem Referenzgasraum (126) angeordneten zweiten Elektrode (124) und mit mindestens einem die erste Elektrode (122) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (128) aufweist, wobei das Sensorele- ment (1 16) einen zumindest teilweise als Thermistor (140) ausgestalteten9. sensor element (1 16) for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space (1 10), in particular for determining a proportion of a gas component, wherein the sensor element (1 16) at least one Nernstzelle (120) with at least one with the Gas from the measuring gas chamber (1 10) acted upon first electrode (122), with at least one in a reference gas chamber (126) arranged second electrode (124) and at least one of the first electrode (122) and the second electrode (124) connecting solid electrolyte ( 128), wherein the sensor element (1 16) has an at least partially designed as a thermistor (140)
Temperaturfühler (138) umfasst und mindestens eine mit der zweiten Elektrode (124) elektrisch verbundene Innenelektrode (144) und mindestens eine von der ersten Elektrode (122) verschiedene Außenelektrode (146) aufweist, wobei die Innenelektrode (144) und die Außenelektrode (146) durch mindes- tens ein von dem Festelektrolyten (128) zumindest teilweise verschiedenesTemperature sensor (138) and having at least one inner electrode (144) electrically connected to the second electrode (124) and at least one outer electrode (146) different from the first electrode (122), the inner electrode (144) and the outer electrode (146) by at least one of the solid electrolyte (128) at least partially different
Widerstandsmaterial (142) verbunden sind. Resistor material (142) are connected.
10. Sensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (124) mit der Innenelektrode (144) zumindest teilweise identisch ist.10. Sensor element according to the preceding claim, characterized in that the second electrode (124) with the inner electrode (144) is at least partially identical.
1 1. Sensorelement (116) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektrode (146) dem Gas in dem Messgasraum (110) aussetzbar ist.1 1. Sensor element (116) according to any one of claims 9 or 10, characterized in that the outer electrode (146) the gas in the measuring gas space (110) can be exposed.
12. Sensorelement (1 16) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei das Widerstandsmaterial (142) in ein Trägermaterial (148) eingebettet ist.12. Sensor element (1 16) according to any one of claims 9 to 1 1, wherein the resistance material (142) is embedded in a carrier material (148).
13. Sensorelement (116) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Trägermaterial (148) der Festelektrolyt (128) ist.13. Sensor element (116) according to the preceding claim, wherein the carrier material (148) is the solid electrolyte (128).
14. Sensorelement (116) nach Anspruch 12, wobei das Trägermaterial (148) ein isolierendes Material ist, insbesondere AI2O3, wobei der Festelektrolyt (128) ebenfalls in das Trägermaterial (148) eingebettet ist.14. Sensor element (116) according to claim 12, wherein the carrier material (148) is an insulating material, in particular Al 2 O 3 , wherein the solid electrolyte (128) is likewise embedded in the carrier material (148).
15. Sensorelement (1 16) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, umfassend einen ersten Anschlusskontakt (134), wobei der erste Anschlusskontakt (134) mit der ersten Elektrode (122) und der Außenelektrode (146) elektrisch verbunden ist, weiterhin umfassend einen zweiten Anschlusskontakt (136), wobei der zweite Anschlusskontakt (136) mit der zweiten Elektrode (124) und der Innenelektrode (144) elektrisch verbunden ist.15. The sensor element according to claim 9, comprising a first connection contact, wherein the first connection contact is electrically connected to the first electrode and to the outer electrode, further comprising one second terminal (136), wherein the second terminal (136) is electrically connected to the second electrode (124) and the inner electrode (144).
16. Sensorelement (116) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, weiterhin umfassend mindestens ein mit dem Thermistor (140) in Reihe geschaltetes kapazitives Element (154), insbesondere einen gedruckten Kondensator.16. Sensor element (116) according to any one of claims 9 to 15, further comprising at least one with the thermistor (140) connected in series capacitive element (154), in particular a printed capacitor.
17. Sensorelement (116) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, weiterhin umfassend mindestens ein mit der Nernstzelle (120) in Reihe geschaltetes induktives Element (156). 17. Sensor element (116) according to one of claims 9 to 16, further comprising at least one inductive element (156) connected in series with the Nernst cell (120).
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