WO2011029671A1 - Sensorelement mit mehrteiliger diffusionsbarriere - Google Patents

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WO2011029671A1
WO2011029671A1 PCT/EP2010/061194 EP2010061194W WO2011029671A1 WO 2011029671 A1 WO2011029671 A1 WO 2011029671A1 EP 2010061194 W EP2010061194 W EP 2010061194W WO 2011029671 A1 WO2011029671 A1 WO 2011029671A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diffusion barrier
diffusion
barrier region
electrode
sensor element
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/061194
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henrico Runge
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
Priority to CN201080040575.6A priority Critical patent/CN102483389B/zh
Publication of WO2011029671A1 publication Critical patent/WO2011029671A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention is based on known sensor elements for determining at least one property of a gas in a measuring gas chamber.
  • this can be any property of the gas, for example a physical and / or chemical property.
  • the invention will be described below with reference to sensor elements by means of which a proportion of at least one gas component in the gas can be determined, that is, for example, a partial pressure and / or a concentration of this gas component, in particular of oxygen.
  • the sensor element can in particular be used to measure an air ratio ⁇ in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • Such sensor elements are also referred to as lambda probes and are described, for example, in Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, Edition 2007, pages 154-159.
  • the illustrated sensor elements may also be modified according to the invention within the scope of the present invention.
  • the sensor elements may comprise one or more solid electrolytes, in particular ceramic solid electrolytes, for example yttrium-stabilized zirconium dioxide.
  • limit current lean-load probes are required as single-cell probes, which are characterized by a unique
  • a prerequisite for this is a shielding of a pump cell anode from the exhaust gas and the associated property of the probe to exclude anodic oxidation reactions of fuel gas components.
  • lambda probes for measurements in diesel exhaust gas must meet additional requirements, which result from the special mode of operation, the operating conditions and the evaluation mechanisms.
  • a first technical challenge consists of manufacturing spreads, which are due in particular to a comparatively complex design. For example, there are variations in the limiting currents and in the so-called k values, which characterize the ratio of a Knudsen component to a gas phase component in the diffusion of the gas entering the probe
  • the limiting current Due to production-related scattering of the measuring current, ie of the limiting current I p , which is set via a diffusion barrier in the ceramic sensor element as a measured variable for ⁇ , the limiting current must be present either at the sensor element or by subsequent trimming of electronic components on the TKU after the ceramic sensor elements have been produced.
  • Characteristic can be adjusted. This adjustment can be dispensed with if, during overrun operation, i. under defined conditions, the probe is recalibrated. However, this usually only succeeds if the limiting current deviates by a maximum of 20% from the nominal value. Taking account of age-related variations, this means a limit current spread of less than 10% when new. This is the maximum permissible measure for production-related scattering. To ensure this, a design is needed which is not susceptible to manufacturing tolerances, especially in the production of a diffusion path. Another challenge is setting the required k values, the
  • Mean value shift (MWV) and the dynamic pressure dependence (DDA) for the required measurement accuracy are the time and / or frequency dependence of the probe signal in a total change in pressure to understand.
  • DDA dynamic pressure dependence
  • the mean value of the pumping current is increased compared with the static mean pressure measured at the same mean pressure.
  • MV mean value shift
  • a third challenge is in particular a sooting and / or poisoning resistance of the sensor elements.
  • the sooting and / or poisoning mechanism and the soot and / or poisoning susceptibility in diesel exhaust gas are different from the corresponding mechanisms or susceptibilities due to exhaust gas composition, exhaust gas temperature, pressure and the like
  • a sensor element for determining at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular a sensor element according to one or more of the sensor elements described above.
  • the sensor element can be used to determine a proportion of a gas component in the measurement gas space.
  • the sensor element comprises at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode can be acted upon with gas from the measuring gas space via a gas inlet path.
  • the first electrode can be arranged in the interior of the sensor element, for example, in the interior of a layer structure.
  • the Gaszutrittsweg may include, for example, one or more channels and / or holes through which a total of the gas and / or a gas component from the sample gas space can reach the first electrode, for example by flow and / or diffusion mechanisms.
  • the gas access path has at least one diffusion barrier.
  • a diffusion barrier is understood to mean an element by means of which, for example, a limiting current can be set by setting appropriate diffusion and / or flow mechanisms.
  • the diffusion barrier as explained in more detail below, comprise at least one porous material.
  • the diffusion barrier is intended to be set up overall in order to at least limit a simple inflow of gas to the first electrode and thus can act, for example, or primarily as a flow barrier, so that downstream open channels can act as diffusion resistance at all and not through
  • the diffusion barrier has at least one first diffusion barrier region and at least one second diffusion barrier region. These at least two diffusion barrier regions may preferably adjoin one another directly, but may also be arranged at a distance from one another in the gas inlet path.
  • the sensor element can in particular be configured such that gas from the measurement gas space first passes through the second diffusion barrier region or a first part of the second diffusion barrier region, then through the first diffusion barrier region and then again through the second diffusion barrier region or a second part of the second diffusion barrier region.
  • the arrangement may be configured such that the gas passes through the second diffusion barrier region perpendicularly, for example through and / or diffused, in particular perpendicular to a layer structure of a layer structure of the sensor element, and laterally through the first diffusion barrier region, for example parallel to the layer structure.
  • the sensor element may be configured such that first a vertical flow and / or a vertical gas diffusion through a first part of the second diffusion barrier region, followed by a lateral flow and / or gas diffusion through the first diffusion barrier region, followed by a renewed vertical fürströmen. flow and / or another vertical diffusion through the second diffusion barrier region or a second part of the second diffusion barrier region.
  • the diffusion barrier can in particular be designed such that the first diffusion barrier region contributes to a predominant proportion to a diffusion resistance of the diffusion barrier, wherein the second diffusion barrier region acts as a flow barrier and / or homogenizer at the beginning and / or end of the diffusion barrier.
  • the arrangement of the first diffusion barrier region and of the second diffusion barrier region can take place in the direction of the gas access path, so that the second diffusion barrier region or parts of the second diffusion barrier region act as flow barrier and / or as homogenizer and the first diffusion barrier region acts as the actual diffusion barrier.
  • a first part of the second diffusion barrier region can be arranged at the beginning of the diffusion barrier, which has, for example, a porous structure as a flow barrier and which has the least amount of
  • the first diffusion barrier region which may, for example, comprise an open structure and which may cause a majority of the diffusion resistance of the diffusion barrier.
  • a second part of the second diffusion barrier region which can act as a homogenizer and thus bring about a homogeneous electrode connection to the open structure of the first diffusion barrier region, can adjoin it.
  • the second part of the second diffusion barrier region may have a smaller porous structure than the first part of the second diffusion barrier region.
  • the second part of the second diffusion barrier region can also be wholly or partially identical to the first part, for example in that the second diffusion barrier region is designed as a layer through which multiple flows.
  • the diffusion resistance of this homogenizer should generally be selected such that the most homogeneous possible application occurs the first electrode is carried out with gas.
  • the first electrode and / or the electrode connection cavity can cover a region of the first diffusion barrier whose gas concentration gradient, eg oxygen concentration gradient, is to be homogenized by the homogenizer, for example in the longitudinal direction of the channels.
  • the gas access path should be designed such that the second diffusion barrier region is located upstream of and / or downstream of the first diffusion barrier region.
  • the gas on the way from the measuring gas space to the first electrode first has to pass through the second diffusion barrier region in order to reach the first diffusion barrier region (upstream) and / or the gas passes the first diffusion barrier region on the way from the measuring gas chamber to the first electrode to then pass through the second diffusion barrier region to the first electrode.
  • a combination of the options mentioned is also possible, so that, for example, the gas first passes through a first part of the second diffusion barrier region before the gas then enters the first diffusion barrier region in order finally to reach the first electrode through a second part of the second diffusion barrier region.
  • the second diffusion barrier region is intended to have a finer pored design than the first diffusion barrier region.
  • the proportion of Knudsen diffusion should be higher than in the first diffusion barrier region, whereas in the first diffusion barrier region the fraction of gas phase diffusion should be greater than in the second diffusion barrier region.
  • porosity does not necessarily mean that the first diffusion barrier region is also completely configured with a porous material.
  • the first diffusion barrier region may be basically porous (but more porous than the second diffusion barrier region) or, alternatively, also open pore and / or fully open, but still confining diffusion.
  • the second diffusion barrier region which has a fine-pored configuration, thus acts at least predominantly as a flow restriction, whereas the first diffusion barrier region at least predominantly acts as a diffusion barrier.
  • a diffusion barrier is proposed which functionally represents a flow barrier diffusion barrier combination.
  • the second diffusion barrier region may in particular comprise a porous material having at least one of the following properties: a pore size between 0.03 ⁇ m and 3 ⁇ m; a porosity between 5% and 60%, in particular a porosity less than 40%.
  • the second diffusion barrier region may in particular have a thickness, ie an extension parallel to the local direction of the gas flow. Access path, between 10 ⁇ and 200 ⁇ , in particular between 20 ⁇ and 100 ⁇ have.
  • the first diffusion barrier region may in particular be a plurality, i. for example, comprise 2, 3, 4 or more channels extending along the gas access path. These channels preferably have a height of 5 to 50 micrometers, more preferably 10 to 25 micrometers, a width of 50 to 500 micrometers, more preferably 100 to 150 micrometers, and a length of 500 to 5000 micrometers, more preferably 1200 to 3000 micrometers.
  • the gas inlet path can be designed in such a way that gas from the measuring gas chamber enters these channels on the way to the first electrode substantially perpendicular to the channels.
  • the Gaszufrittsweg be designed for this purpose angled. However, a slight deviation from a vertical entry is also possible in principle, for example a deviation at an angle of not less than 45 °.
  • the second diffusion barrier region may for example be formed at least partially as a flow barrier layer and / or comprise at least one such flow barrier layer.
  • this flow barrier layer can have a lateral extension which is substantially parallel to a longitudinal extension of the channels.
  • the flow barrier layer may in particular cover the channels at least partially.
  • the Gaszutrittsweg may be configured such that gas from the measurement gas space on the way to the first electrode first passes through the flow barrier layer at least once, then passes through the channels and then optionally passes through the flow barrier layer at least one more time. Also, an embodiment in which the gas from the measuring gas chamber on the way to the first electrode enters the channels immediately, without first pass through the flow barrier layer, and then to penetrate after exiting the channels, the flow barrier layer to reach the first electrode is conceivable.
  • the sensor element may in particular have a layer structure, with several layer planes.
  • the first diffusion barrier region and the second diffusion barrier region can be arranged in different, preferably adjacent, layer planes.
  • the first diffusion barrier region may be wholly or partly printed on the second diffusion barrier region or vice versa.
  • the flow barrier layer of the second Diffusion Barrier region are printed on the channels of the first diffusion barrier region.
  • the gas access path can moreover have an electrode cavity of the first electrode arranged in a further layer plane, which is preferably different from the layer planes mentioned. Under an electrode cavity is an adjacent to the electrode open or filled with a gas-permeable, porous medium cavity to understand, which forms a gas reservoir in front of the electrode. The electrode cavity should in this case be downstream of the diffusion barrier.
  • the gas access path may have an attachment cavity arranged in a further layer plane, which may also be identical to the layer plane of the electrode cavity.
  • This connection cavity is preceded by the diffusion barrier and, preferably without diffusion limitation and / or flow limitation, is connected to the measurement gas space.
  • a gas inlet bore can be provided perpendicular to the layer planes and / or parallel to the layer planes, for example on an end face of the sensor element.
  • the second diffusion barrier region in particular a part of the second diffusion barrier region downstream of the first diffusion barrier region, may preferably have a greater diffusion resistance than a gas diffusion resistance of the attachment cavity.
  • the sensor element according to one or more of the embodiments described above has a multiplicity of advantages over known sensor elements.
  • a new diffusion barrier concept is proposed, which corresponds to the requirements of future generations of sensor elements both in terms of manufacturability and with regard to the setting of static and / or dynamic functional measured variables as well as the increased requirements for sooting resistance and / or poisoning resistance.
  • the proposed flow barrier diffusion barrier combination combined with optimized electrode cavity connections and connections to the exhaust gas, can meet these requirements.
  • the main diffusion resistance ie the larger proportion of the total diffusion resistance of the diffusion barrier, should drop off at the first diffusion barrier region. This can, as described above, for example, by channels, in particular by open channels, can be realized.
  • the second diffusion barrier region can in particular be in the form of a finely porous layer (flow barrier layer), for example with pore sizes between 0.03 ⁇ m and 3 ⁇ m and / or between 5% and 5% porosity 60%, and can for example cover the channels over a large area.
  • flow barrier layer a finely porous layer
  • the design of this flow barrier layer in the diffusion path realizes both a large inlet area for the gas and a minimal diffusion path length.
  • this flow barrier layer acts primarily as a flow barrier, that is to say as a damping element, with a small proportion of the total diffusion resistance which can be adjusted by the layer thickness.
  • the gas inlet to the diffusion path is realized, for example, by openings in a gastight cover layer covering this flow barrier diffusion-barrier combination.
  • openings make it possible, for example, via a connecting hollow space and in particular a gas access hole (for example laterally, frontally and / or drilled) to connect the exhaust-gas side and, via the optional electrode cavity, to the connection to the first electrode.
  • a connecting hollow space and in particular a gas access hole for example laterally, frontally and / or drilled
  • the advantages of the embodiment of the sensor element according to the invention are, in particular, an improved manufacturability, a possibility of setting the k value and an increased resistance to poisoning and / or poisoning resistance.
  • the proposed design takes into account the increased demands on a new generation of limit current sensors or sensor element generation for diesel and gasoline engines.
  • small k values can be set for diesel applications, or for other applications, k values can be set in a large range
  • the upstream second diffusion barrier region can have a k value of greater than 0.2 bar or more.
  • the downstream first diffusion barrier region may, for example, have a k value of less than 0.2 bar.
  • a small total k value for example, downstream of the main diffusion resistance in the form of the first diffusion barrier region downstream flow barrier in Form the downstream second diffusion barrier region with adapted to a covered surface diffusion resistance, the flow load of the electrode attachment cavity in the region of the transition to the diffusion barrier homogenized and minimized the volume accordingly.
  • the increase of the DDA MWV can be damped in the realization of small k values, since the electrode void volume directly correlates with the dynamic quantities.
  • the flow barrier acting as the main diffusion resistance upstream and optionally also downstream Knudsen diffusion resistance (flow barrier) generally acts as a damping element.
  • the diffusion resistance of this homogenizer should generally be selected such that a preferably homogeneous application of the first Electrode with gas.
  • the first electrode and / or the electrode connection cavity can have a
  • An upstream, finely porous flow barrier in the form of the second diffusion barrier region acts like an upstream filter.
  • the proposed design offers the possibility of designing the entrance area over a large area and thus achieving a small flow density, and by realizing flow gradients in the filter, the influence of sooting, i. the clogging of the filter pores, to minimize the characteristic.
  • the proposed design results in increased poisoning resistance.
  • a homogeneous electrode load and thus an improved poisoning resistance are ensured by a homogeneous flow load of the electrode cavity, which is also referred to as the electrode connection cavity.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an embodiment of a sensor element according to the invention
  • FIG. 2 shows a perspective detailed representation of a diffusion barrier of the sensor element according to FIG. 1;
  • Figure 3 is a perspective view of a second embodiment of a sensor element according to the invention. embodiments
  • FIGS. 1 and 2 show a first exemplary embodiment of a sensor element 110 according to the invention in various illustrations. It's about a
  • Embodiment of a broadband lambda probe For further details of such broadband lambda probes and the mode of operation of such lambda probes, reference may be made, for example, to the above-mentioned prior art or, for example, DE 10 2006 062 060 A1. It is a marginal flow Magersonde with a unique characteristic.
  • the sensor element 1 10 has a
  • Layer structure with a first electrode 1 12, a second electrode 1 14 and these two electrodes 1 12, 1 14 connecting solid electrolyte 1 16, for example, yttria-stabilized zirconia.
  • the two electrodes 1 12, 1 14 are arranged in the illustrated embodiment in the same layer plane.
  • other arrangements are possible in principle, for example, arrangement with superimposed electrodes 1 12, 1 14, in which the electrodes 1 12, 1 14, for example, on opposite sides of the solid electrolyte 1 16 are arranged.
  • the sensor element 110 optionally has a reducing electrode arranged on the surface of the sensor element 110
  • This reducing electrode 1 18 serves to reduce and optionally adjust an internal resistance of a pump cell comprising the first electrode 12, the second electrode 114 and the solid electrolyte 16.
  • the mode of operation of the reducing electrode is described, for example, in DE 10 2006 062 060 A1, to which reference can also be made with regard to further possible details of the sensor element 110.
  • the second electrode 1 14 is arranged in the illustrated embodiment in a reference air channel 120.
  • This reference air channel 120 may, for example, connect the second electrode 1 14 with a reference air space, for example an engine compartment of a motor vehicle.
  • the term "reference air channel” 120 can be used broadly and may, for example, also comprise an exhaust air channel., For example, expanded gas can escape via the reference air channel 120 at the second electrode 1.
  • the reference air channel 120 represents an exhaust air channel are basically possible, for example tions, in which the second electrode 1 14 is directly or indirectly in communication with a sample gas chamber 122.
  • the first electrode 1 12 can be acted upon by gas from the measuring gas chamber 122 via a gas inlet path 124.
  • this gas access path 124 comprises an attachment cavity 126 arranged in the layer plane of the electrodes 12, 14, a section 128, a section 128 with a diffusion barrier 130 and an electrode cavity likewise arranged in the layer plane of the electrodes 12, 14 132.
  • a connection of the connection cavity 126 to the measurement gas space 122 can be realized, for example, by a frontal bore, a channel in the layer planes, and / or a gas access bore perpendicular to the layer planes.
  • the diffusion path which the gas has to travel on the way through the gas inlet path 124 is indicated symbolically in FIG. 1 by the arrow 134.
  • the diffusion barrier 130 is arranged in the layer structure below the layer plane with the electrodes 1 12, 1 14 and separated from this layer plane by a covering layer 136. As can be seen in particular from the detailed perspective illustration in FIG. 2, according to the invention the diffusion barrier 130 is designed in two parts and has a first diffusion barrier region 138 in the form of parallel to the first diffusion barrier region 138
  • the flow barrier layer 144 completely covers the channels 140 in the illustrated embodiment, so that gas on the gas inlet path 124 first has to pass through the flow barrier layer 144, then enters the channels 140, flows through them in the direction of the electrode cavity 132 and then through the second time
  • Flow barrier layer 144 must enter the electrode cavity 132.
  • the first diffusion barrier region 138 may be configured in various ways, and may include, for example, the channels 140 in the form of porous filled, low porosity filled, partially filled and / or structured channels. This first
  • Diffusion barrier region 138 represents the main diffusion resistance and serves to For example, to set small k values in the range, for example, between 0.01 bar ⁇ k ⁇ 0.3 bar. Depending on the filling, however, it is also possible to set adjusted k values, for example in the range between 0.01 bar ⁇ k ⁇ 5 bar.
  • the flow barrier layer 144 of the second diffusion barrier region 142 constitutes a finely porous flow barrier layer. This is a region with a high k value, for example k> 0.3 bar. This flow barrier layer 144 covers the channels over a large area, which produces a damping and a filtering effect. Furthermore, this flow barrier layer 144 causes an inflow density gradient.
  • this flow barrier layer 144 can be used to influence dynamic and / or static variables, for example the variables of the MWV, the DDA and the k value described above. In this way, for example, an optimum can be set for a given k value and a mean value shift with regard to the probe accuracy. In contrast to conventional probe geometries in which, for example, the
  • Connection cavity 126, the diffusion barrier 130 and the electrode cavity 132 are produced by overlapping pressure layers, which are responsible for variations of the limiting current l p and the k value, have in the inventive design of the sensor element 1 10 and in particular the multi-part diffusion barrier 130 cavity fouling by inaccuracies no influence on the diffusion resistance during printing and thus not on functional quantities, such as l p and the k-value.
  • increased resistance to ashing by the porous flow barrier layer 144 having a large inlet area, ie a low inflow density, and sufficiently parallel flow paths and / or diffusion paths via the channels 140 results from the implementation of Einstrom Whygradienten on the entrance surface.
  • the electrode cavity 132 and the surface of the first electrode 112 may be arranged centrally above one another and above the diffusion barrier 130, wherein, for example, the first electrode 112 may be arranged centrally above the electrode cavity 132, which also acts as an electrode connection cavity.
  • the described sensor element 110 which is shown by way of example in FIGS. 1 and 2 and has the multi-part diffusion barrier 130, has a number of advantages and additional options over conventional sensor elements 110.
  • conventional broadband probes usually follow the concept that the diffusion path is formed parallel to the printing direction and the
  • Diffusion elements are flowed through laterally by the gas laterally.
  • Both diffusion barriers and cavities are printed several times in thick film technology on a foil backing with a security overlap side by side. Unavoidable smudges and leakage of the printed layers cause considerable scattering in the overlap of the diffusion elements, for example cavities and diffusion barriers.
  • the limit current at the new sensor element generally has to be adjusted for all series sensor elements.
  • the new concept of the diffusion barrier 130 shown in FIGS. 1 and 2, provides that the diffusion path must in principle be perpendicular to the printing direction through the elements of the diffusion barrier 130 that are produced one above the other in screen printing in this case.
  • the gas passes through the diffusion barrier layer 144 substantially perpendicularly to enter the channels 140 of the first diffusion barrier region 138.
  • the influence of smear on the edges of the printed layers and the lateral diffusion barrier cavity connections to the diffusion barrier 130 is eliminated and the production-related scattering with respect to the limiting current and / or the k value is minimized.
  • the remaining scatter, caused by a non-uniform layer thickness across the laminate may be further eliminated, for example, by a thrust balance strategy.
  • a connection to the channels 140 acting as the actual diffusion resistance of the diffusion barrier 130 of the first diffusion barrier region 138 takes place for example by pressure layers, in particular the at least one flow barrier layer 144.
  • a connection of the first diffusion barrier region 138, soften the actual diffusion resistance. is provided, are guaranteed to the cavities 126 and / or 132.
  • the flow barrier layer 144 is flowed through vertically.
  • the channels 140 that is to say the region in which the main diffusion resistance drops, undergo a flat diffusion perpendicular to the pressure direction perpendicular to the pressure layer of the flow barrier layer 144. I p and k value are not affected by smearing of all the pressure resistance layers determining the diffusion resistance.
  • the electrode cavity 132 can also be designed in several parts and, as indicated in FIG. 1, below the actual electrode cavity 132 can comprise an electrode connection cavity 146, which is connected to the flow barrier layer 144. Before the gas flows perpendicularly into the electrode connection cavity 146 and can distribute homogeneously in the electrode cavity 132, the gas diffuses in the channels 140, which provide the main diffusion resistance.
  • the length of the diffusion path in the channels 140 and thus the size of the diffusion resistance can be determined in particular by the spacing of the openings in the cover layer 136 and thus only by a well-defined process step.
  • the channels 140 may in particular have a length between 0.5 and 5 mm, in particular of 1, 5 mm.
  • the openings in the cover layer 136 are placed so that the outgoing channel ends of the channels 140 do not contribute to the diffusion resistance. The influence of the smears at the ends of the channels 140 on the limiting current and / or the k value can thereby be eliminated.
  • Remaining differences in the opening geometries caused for example by leakage and / or smearing during printing of the covering layer 136, also have only a marginal influence on the size of the diffusion resistance, since the length of the diffusion path is larger by a factor of about 100 than that expected differences in the opening geometries.
  • the proposed design thereby meets the requirements for a low recalculation of the threshold currents to eliminate sensor element matching, which causes high costs, in favor of implementing an adjustment over a thrust balance strategy in diesel applications.
  • the design of the sensor element 1 10 shown in Figures 1 and 2 can be easily adapted to optimize dynamic and / or static measurements.
  • a smaller k-value is required, for example k ⁇ 0.3 bar, with respect to the total diffusion barrier 130.
  • This k value is smaller than the k value usually realized in conventional lambda probes, which is typically above 0.4 bar.
  • the diffusion path 134 is designed in such a way that the proportion of the gas phase diffusion in the total diffusion resistance can be increased correspondingly to the cuddly diffusion.
  • the inventive design of the diffusion barrier 130 with the second diffusion barrier region 142 acting as a flow barrier and the first diffusion barrier region 138 with its open or openly porous channels 140 acting as the actual diffusion resistance can be used to precisely achieve this optimization.
  • the gas access path 124 is configured such that the main diffusion resistance at the open or open-pore channels 140 of the first diffusion barrier region 138 drops.
  • the second diffusion barrier region 142 is realized by the large-area flow barrier layer 144, which is designed to be finely porous.
  • the gas inlet is realized through the openings in the dense cover layer 136.
  • This second diffusion barrier region 142 can be realized as a layer of finely porous material and can cover the channels 140 over a large area.
  • the gas access to this second diffusion barrier region 142 is, as shown above, realized by openings in the cover layer 136, which are generally denoted by the reference numerals 148, 150 in the figures.
  • the exhaust gas diffuses vertically through these, for example, formed as a pressure layer Strömungsbarr Schl 144, which has, for example, a thickness of 20 to 100 ⁇ , in the channels 144th
  • the design can be designed so that the diffusion resistance of the porous diffusion barrier layer 144 is smaller by orders of magnitude compared to the resistance in the channels 140 due to the vertical flow through this layer and the small layer thickness (path length). The design thus ensures that the resulting total limiting current and the resulting total k value are influenced only to a limited extent by this diffusion barrier layer 144 functioning as a flow barrier.
  • the k value and the limit current of the channels 140 determine the k value or the limiting current of the sensor element 1 10. Furthermore, the porous flow barrier layer 144 can have a damping effect that does not allow the DDA and the MWV to increase excessively. This finely porous flow barrier in
  • the shape of the flow barrier layer 144 also ensures that the rear electrode cavity 132 and / or its electrode connection cavity 146 are also homogeneously loaded. If the second diffusion barrier region 142 acting as a flow barrier, for example the flow barrier layer 144, is designed with respect to the diffusion resistance in such a way that the electrode cavity 132 and / or the electrode connection cavity 146 are already homogeneously flowed through at the entire interface to this flow barrier layer 144, a homogeneous electrode load of the first electrode can be achieved Electrode 1 12 can be realized with minimized connection cavity height. However, reducing the volume of the electrode cavity 132 to a technical minimum is a prerequisite for low DDA or MWV values.
  • the proposed design with the special arrangement of diffusion barriers and flow barriers thus offers for the first time the possibility of combining small k values, homogeneous electrode load with minimized electrode cavity height and a moderate MWV / DDA interaction. If the flow barrier layer 144 has a completely homogenizing effect over the entire connection surface, then the electrode cavity height can optionally be reduced to zero. If the flow barrier layer 144 has only a limited homogenizing effect due to a high porosity and / or a too small layer thickness, homogenization should be achieved by increasing the electrode cavity height.
  • the electrode cavity 146 may have a height of between 20 and 200 microns.
  • the flow barrier layer 144 may also be located downstream only from the first diffusion barrier region 138, which may act as a diffusion barrier layer or just upstream. In particular, this can be realized in the context of the configuration of the first diffusion barrier region 138 in the form of the channels 140. In this way, the flow barrier layer can, for example, act or be configured as a homogenization layer. In particular in this case and for the purpose of homogenization, the homogenization layer should have a lower porosity than the first diffusion barrier region 138, which is preferably configured in the form of the channels 140.
  • the proportion of the diffusion resistance of this layer in the total diffusion resistance and thus at the limiting current, the k value, the DDA and the MWV and the gas distribution, although not independently, but depending on the conditions of use targeted for a high accuracy can be set.
  • Another advantage is that in the proposed design concept for the targeted adjustment of these static and / or dynamic sizes layout adjustments are necessary only to a very limited extent.
  • the MWV is too high at the small k values to be set, then by adjusting the layer thickness of the flow barrier layer 144 and / or reducing the porosity of the material, the proportion of the diffusion resistance of the porous flow barrier layer 144 (Knudsendiffusion) in the total diffusion resistance can be increased with an increase in the k value and a reduction in the MWV.
  • an optimum of probe accuracy can be achieved.
  • the possibility of optimization increases.
  • the design of the independently variable diffusion barrier regions 138, 142 which act as diffusion resistance or as flow resistance, dynamic and / or static quantities can be varied relatively easily and widely, in particular in the case of high-temperature limiting current sounds, for example the channel structuring (eg via reproducible bottlenecks), the channel geometry (for example via the inlet cross section and / or the length), the channel filling (open, porous, open and porous) on the one hand and the material (porosity) and geometry (thickness, inlet surface) of the flow barrier layer 144 on the other hand can be interpreted accordingly.
  • the proposed design of the sensor element 1 10 is also characterized by a significantly improved Versottungs- and poisoning resistance compared to conventional sensor elements.
  • the entrance area of the combined flow / diffusion barrier 130 is designed such that particles, depending on the size and depending on the thickness and porosity or composition of the flow barrier layer 144, which acts as a flow barrier, are hindered on further transport there.
  • the particle flow toward the first electrode 1 12 is at least largely prevented by the filter effect of the porous flow barrier layer 144, while maintaining the small k value, since the flow barrier formed by the second diffusion barrier region 142 can be made very thin by the proposed design concept and thus the contribution This Knudsen diffusion resistance to the total diffusion resistance can be kept low.
  • the proposed design makes it possible to design the input region of the flow barrier layer 144, which acts as a flow barrier, many times larger than conventional sensor elements 110.
  • the inflow density is thereby reduced by a factor of 3 to 15, and the susceptibility to erosion drastically reduced.
  • the design creates an inflow density gradient (adjustable over area, thickness and porosity).
  • the improved poisoning resistance ie the lower susceptibility of the electrode 1 12 to poisoning, is due to the homogeneous current density distribution at the as Mounting electrode functioning first electrode 1 12 secured.
  • the electrode 1 12 can be arranged with its electrode surface perpendicular to the diffusion path 134 in the proposed design concept of the sensor element 1 10, for example via the Since the electrode cavity 132 can also be loaded homogeneously, the flow barrier layer 144, which acts as a flow barrier layer, can effect the gas outlet of the diffusion barrier 130. It should be noted that these act as a flow barrier
  • Flow barrier layer 144 at the second opening 150 toward the electrode cavity 132 can be configured identically or separately from the flow barrier layer 144 at the first opening 144 toward the connection cavity 126. In the embodiment shown in Figures 1 and 2, this is a common flow barrier layer 144. However, other embodiments are also possible in principle. For better manufacturability and / or process reliability, the use of a single flow barrier layer 144 is preferred. However, the thickness, the porosity and the exit area of the flow barrier layer 144 acting as flow barrier should be adapted to the cavity height, the electrode area and the total diffusion resistance for this homogeneous load.
  • a flow barrier with adapted thickness and / or porosity is realized at the electrode connection hollow space 146 whose diffusion resistance is higher than that of the channels 140 in the region The second opening 150.
  • flow inhomogeneities at the bonding surface of the electrode cavity 132 may be partially offset by increasing the cavity height for homogeneous electrode loading, ie, more homogeneous current density distribution, but this is typically realized at the expense of dynamic probe properties.
  • the proposed design therefore offers the possibility of increasing the poisoning resistance despite a minimum electrode cavity height and thus a low MWV, by means of a downstream diffusion barrier layer 144 having a matched diffusion resistance as a cover layer above the first diffusion barrier region 138 acting as the actual diffusion barrier With a small k value (channels 140) a homogeneous electrode cavity load and homogeneous current density distribution of the first electrode 1 12 is ensured.
  • the requirements for the first diffusion barrier region 138 acting as a flow barrier in the input region of the first opening 148 and in the outlet region of the second opening 150 of the diffusion barrier 130 may be different. In this way, for example, an adaptation to a different electrode geometry, to different current densities or the like can be ensured.
  • the requirements for the second diffusion barrier region 142 in the region of the gas inlet at the opening 148 may require a smaller layer thickness of the flow barrier layer 144, a high porosity, a small pore size with low diffusion resistance component of this part of the second diffusion barrier region 142 on the total diffusion resistance of the diffusion barrier 130 Filter effect and the generation of Strömungs Whygradienten in the inlet region to ensure the Versottungsresistenz at low k value of the sensor element.
  • the design of the second diffusion barrier region 142 which is located downstream of the first diffusion barrier region 138, that is to say in the region of the second opening 150, can take place differently.
  • this consideration can also be taken into account in the sensor element 110 according to the invention.
  • the design offers the possibility of adaptation to the extent that during the production of the flow barrier layer 144, for example in screen printing, this flow barrier layer 144, for example upstream and downstream of the first diffusion barrier region 138 may have different properties.
  • materials with different porosity can be printed upstream and downstream, or the number of printing steps upstream and downstream can be designed differently and thus different diffusion properties for the input and output regions can be set via the height of the upstream or downstream flow barrier layer 144 ,
  • the size of the openings 148, 150 in the cavities interface cover layer 136 may be adjusted in the entrance and exit areas of the flow barrier layer 144 acting as a flow barrier, thereby completing the flow barrier layer 144 Diffusion resistors are designed differently.
  • the opening 148 in the entrance region is preferably to be chosen correspondingly large in order to increase the diffusion resistance at this Place to decrease.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a sensor element 110 according to the invention. This embodiment corresponds initially to a large extent in the exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2, so that reference can largely be made to the above description of these figures.
  • FIG. 3 shows that in principle the first electrode 12 and the second electrode 114 can also be arranged in different layer planes of the layer structure.
  • the second electrode 1 14, which, for example, is made in two parts. can be taltet, arranged in a higher layer plane and on opposite sides of a solid electrolyte 1 16 or more solid electrolyte layers.
  • a gas inlet 152 is arranged on an end face 154 of the sensor element 110. Again, this is not mandatory.
  • the exemplary embodiment in FIG. 3 shows that the gas inlet 152 can also be provided on an upper side 156 of the layer structure of the sensor element 110 and with the diffusion barrier 130 or the optional connection cavity 126, for example through a gas inlet hole 158, which penetrates the layer structure and may be configured as a bore, for example.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (122) vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (122). Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine erste Elektrode (112), mindestens eine zweite Elektrode (114) und mindestens einen die erste Elektrode (112) und die zweite Elektrode (114) verbindenden Festelektrolyten (116). Die erste Elektrode (112) ist über einen Gaszutrittsweg (124) mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschlagbar. Der Gaszutrittsweg (124) weist mindestens eine Diffusionsbarriere (130) auf, welche mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) aufweist. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) ist feinporiger ausgestaltet als der erste Diffusionsbarrierenbereich (138).

Description

Beschreibung
Titel
Sensorelement mit mehrteiliger Diffusionsbarriere Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft des Gases, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln. Insbesondere wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente, mittels derer ein Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas bestimmt werden kann, also beispielsweise ein Partialdruck und/oder eine Konzentration dieser Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff. Das Sensorelement kann insbesondere eingesetzt werden, um eine Luftzahl λ in einem Abgas einer Brennkraftmaschine zu messen. Derartige Sensorelemente werden auch als Lambdasonden bezeichnet und sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154-159 beschrieben. Auf die dortigen Ausführungen kann exemplarisch Bezug genommen werden, und die dargestellten Sensorelemente können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden. Insbesondere können die Sensorelemente einen oder mehrere Festelektrolyte umfassen, insbesondere keramische Festelektrolyte, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid.
Für die Messung einer Gaszusammensetzung im Dieselabgas werden beispielsweise Grenzstrom-Magersonden als Einzellersonden benötigt, welche durch eine eindeutige
Magerkennlinie gekennzeichnet sind. Voraussetzung hierfür ist eine Abschirmung einer Pumpzellenanode vom Abgas und die damit einhergehende Eigenschaft der Sonde, anodische Oxidationsreaktionen von Brenngaskomponenten auszuschließen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf WO 2008/080698 verwiesen werden. Im Vergleich zu Lambdasonden zur Messung von Abgaszusammensetzungen von Benzinmotoren müssen insbesondere Lambdasonden für Messungen im Dieselabgas zusätzliche Forderungen erfüllen, welche aus der speziellen Betriebsweise, den Betriebsbedingungen und den Auswertemechanismen resultieren. Diesbezüglich ergeben sich bei herkömmlichen Lambdasonden jedoch zahlreiche technische Herausforderungen. Eine erste technische Herausforderung besteht in Fertigungsstreuungen, welche insbesondere auf ein vergleichsweise komplexes Design zurückzuführen sind. Beispielsweise ergeben sich Streuungen hinsichtlich der Grenzströme und hinsichtlich der so genannten k-Werte, welche das Verhältnis eines Knudsen-Anteils zu einem Gas- phasen-Anteil bei der Diffusion des in die Sonde eintretenden Gases charakterisieren
(siehe diesbezüglich beispielsweise WO 2008/080698). Durch fertigungsbedingte Streuung des Messstroms, also des Grenzstroms lp, der über eine Diffusionsbarriere im keramischen Sensorelement als Messgröße für λ eingestellt wird, muss gegenwärtig nach Herstellung der keramischen Sensorelemente der Grenzstrom entweder am Sen- sorelement oder durch nachträgliche Trimmung elektronischer Bauteile auf die TKU-
Kennlinie angepasst werden. Auf diesen Abgleich kann verzichtet werden, wenn beim Schubbetrieb, d.h. unter definierten Bedingungen, die Sonde neu kalibriert wird. Dies gelingt jedoch in der Regel nur, wenn der Grenzstrom um maximal 20% vom Sollwert abweicht. Unter Berücksichtigung alterungsbedingter Streuungen bedeutet dies eine Grenzstrom-Streuung von weniger als 10% im Neuzustand. Dies ist das maximal zulässige Maß für die fertigungsbedingte Streuung. Um dies zu gewährleisten, wird ein Design benötigt, welches unanfällig ist gegenüber Fertigungstoleranzen, insbesondere bei der Herstellung eines Diffusionsweges. Eine weitere Herausforderung besteht in der Einstellung der benötigten k-Werte, der
Mittelwertverschiebung (MWV) und der dynamischen Druckabhängigkeit (DDA) für die geforderte Messgenauigkeit. Unter der dynamischen Druckabhängigkeit ist dabei die Zeit- und/oder Frequenzabhängigkeit des Sondensignals bei einer Gesamtdruckänderung zu verstehen. Als Folge von dynamischen Druckpulsen treten Schwankungen im Pumpstrom lp bei Breitbandlambdasonden auf (dynamische Druckabhängigkeit, DDA).
Der Mittelwert des Pumpstroms ist gegenüber dem bei gleichem Mitteldruck gemessenen statischen Mitteldruck erhöht. Um dieses Phänomen zu beschreiben wurde der Begriff der Mittelwertverschiebung (MWV) eingeführt. Um insbesondere im Dieselabgas die geforderten Messgenauigkeiten einhalten zu können, ist es erforderlich, die statische Druckabhängigkeit, d.h. den k-Wert, zu reduzieren, wobei der Einfluss auf andere funktionelle Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung und/oder die dynamische Druckabhängigkeit gering bleiben soll. Funktionell bedingt vergrößern sich jedoch mit Abnahme des k-Wertes andere, die Genauigkeit der Sonde beeinflussende Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung. Die Realisierung kleiner k-Werte, insbesondere für Dieselanwendungen, bzw. die gezielte Einstellung von k- Werten über einen großen Bereich, beispielsweise generell für spezielle Einsatzbedingungen, insbesondere im Benzinmotor, vor einem Turbolader oder Ähnlichem, ohne dass die Werte für die Mittelwertverschiebung bzw. die dynamische Druckabhängigkeit bestimmte, an die Genauigkeit angepasste Grenzen überschreiten, bedarf der Entwicklung eines neuen, innovativen Diffusionsbarrieren-Designs.
Eine dritte Herausforderung besteht insbesondere in einer Versottungs- und/oder Vergiftungsresistenz der Sensorelemente. Der Versottungs- und/oder Vergiftungsmechanismus und die Versottungs- und/oder Vergiftungsanfälligkeit im Dieselabgas sind aufgrund der Abgaszusammensetzung, der Abgastemperatur, des Drucks und ähnlicher Größen unterschiedlich zu den entsprechenden Mechanismen bzw. Anfälligkeiten im
Abgas eines Benzinmotors. Das Design der Sensorelemente muss dieser Tatsache Rechnung tragen und sowohl hinsichtlich der Versottung im Diffusionsweg als auch hinsichtlich der Vergiftung im Elektrodendesign und/oder im Elektrodenhohlraumdesign entsprechend angepasst werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere ein Sen- sorelement gemäß einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensorelemente.
Insbesondere kann das Sensorelement zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum eingesetzt werden. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Die erste Elektrode ist über einen Gaszutrittsweg mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Beispielsweise kann die erste Elektrode im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise im Inneren eines Schichtaufbaus. Der Gaszutrittsweg kann beispielsweise einen oder mehrere Kanäle und/oder Bohrungen umfassen, durch welche insgesamt das Gas und/oder eine Gaskomponente aus dem Messgasraum zu der ersten Elektrode gelangen kann, beispielsweise durch Strömungs- und/oder Diffusionsmechanismen. Der Gaszutrittsweg weist mindestens eine Diffusionsbarriere auf. Unter einer Diffusionsbarriere ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Element zu verstehen, mittels dessen, durch Einstellung entsprechender Diffusions- und/oder Strömungsme- chanismen, beispielsweise ein Grenzstrom einstellbar ist. Insbesondere kann die Diffusionsbarriere, wie unten näher ausgeführt wird, mindestens ein poröses Material umfassen. Die Diffusionsbarriere soll insgesamt eingerichtet sein, um ein einfaches Einströmen von Gas zu der ersten Elektrode zumindest zu begrenzen und kann somit beispielsweise auch oder vornehmlich als Strömungsbarriere wirken, damit nachgelagerte offene Kanäle als Diffusionswiderstand überhaupt fungieren können und nicht durch
Durchströmung überwunden werden.
Im Unterschied zu herkömmlichen Diffusionsbarrieren wird bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement vorgeschlagen, die Diffusionsbarriere mindestens zweiteilig aus- zugestalten. So weist die Diffusionsbarriere mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich auf. Diese mindestens zwei Diffusionsbarrierenbereiche können vorzugsweise unmittelbar aneinander angrenzen, können jedoch auch beabstandet voneinander in dem Gaszutrittsweg angeordnet sein.
Das Sensorelement kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum zunächst durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs hindurchtritt, dann durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich und anschließend erneut durch den zweiten Diffusionsbar- rierenbereich bzw. einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Die Anordnung kann derart ausgestaltet sein, dass das Gas senkrecht durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hindurchtritt, beispielsweise hindurchströmt und/oder hindurchdiffundiert, insbesondere senkrecht zu einer Schichtstruktur eines Schichtaufbaus des Sensorelements, und lateral durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, bei- spielsweise parallel zur Schichtstruktur. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass zunächst ein senkrechtes Durchströmen und/oder eine senkrechte Gasdiffusion durch einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs erfolgt, gefolgt von einer lateralen Durchströmung und/oder Gasdiffusion durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, gefolgt von einem erneuten senkrechten Durch- strömen und/oder einer erneuten senkrechten Diffusion durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass der erste Diffusionsbarrierenbereich zu einem überwiegenden Anteil zu einem Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere beiträgt, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Strö- mungsbarriere und/oder Homogenisator am Anfang und/oder Ende der Diffusionsbarriere wirkt.
In Richtung des Gaszutrittswegs kann insbesondere die Anordnung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs und des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf geeignete Wei- se erfolgen, so dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich oder Teile des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs als Strömungsbarriere und/oder als Homogenisator wirken und dass der erste Diffusionsbarrierenbereich als eigentliche Diffusionsbarriere bewirkt. Dabei kann beispielsweise ein erster Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs am Anfang der Diffusionsbarriere angeordnet sein, welcher beispielsweise eine poröse Struktur als Strömungsbarriere aufweist und welcher den geringsten Anteil am
Gesamtdiffusionswiderstand aufweist. Diesem kann der erste Diffusionsbarrierenbereich folgen, welcher beispielsweise eine offene Struktur umfassen kann und welcher einen Hauptanteil am Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere bewirken kann. An diesen wiederum kann sich ein zweiter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs anschließen, der als Homogenisator wirken kann und damit eine homogene Elektro- denanbindung an die offene Struktur des ersten Diffusionsbarrierenbereichs bewirken kann. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann beispielsweise eine geringere poröse Struktur aufweisen als der erste Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann auch ganz oder teilweise mit dem ersten Teil identisch sein, beispielsweise indem der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Schicht ausgebildet ist, welche mehrfach durchströmt wird.
Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch ent- fallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbesondere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgra- dient, z.B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle. Der Gaszutrittsweg soll dabei derart ausgestaltet sein, dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich dem ersten Diffusionsbarrierenbereich vorgelagert und/oder nachgelagert ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode zunächst den zweiten Diffusionsbarrierenbereich passieren muss, um in den ersten Diffusionsbarnerenbereich zu gelangen (vorgelagert) und/oder dass das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode den ersten Diffusionsbarrierenbereich durchtritt, um dann durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hin zur ersten Elektrode zu gelangen. Auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten ist möglich, so dass beispielsweise das Gas zunächst einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs durchtritt, bevor das Gas dann in den ersten Diffusionsbarrierenbereich eintritt, um schließlich durch einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs zur ersten Elektrode zu gelangen. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich soll dabei feinporiger ausgestaltet sein als der erste Diffusionsbarrierenbereich. Dies bedeutet allgemein, dass in dem zweiten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Knudsen-Diffusion höher sein soll als im ersten Diffusionsbarrierenbereich, wohingegen im ersten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Gasphasendiffusion größer sein soll als im zweiten Diffusionsbarrierenbereich. Der Begriff der Porosität bedeutet dabei nicht notwendigerweise, dass auch der erste Diffusionsbarnerenbereich vollständig mit einem porösen Material ausgestaltet ist. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann der erste Diffusionsbarrierenbereich grundsätzlich porös (jedoch grob poröser als der zweite Diffusionsbarrierenbereich) ausgestaltet sein oder, alternativ, auch offenporig und/oder vollständig offen, jedoch nach wie vor eine Diffusion begrenzend. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich, welcher feinporig ausgestaltet ist, wirkt somit zumindest überwiegend als Strömungsbegrenzung, wohingegen der erste Diffusionsbarrierenbereich zumindest überwiegend als Diffusionsbarriere wirkt. Es wird also eine Diffusionsbarriere vorgeschlagen, welche funktionell eine Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrierenkombination darstellt.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein poröses Material mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften aufweisen: Eine Porengröße zwischen 0,03 μηη und 3 μηη; eine Porosität zwischen 5% und 60%, insbesondere eine Porosität kleiner als 40%. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Dicke, also eine Erstreckung parallel zur lokalen Richtung des Gas- zutrittswegs, zwischen 10 μηι und 200 μηι, insbesondere zwischen 20 μηι und 100 μηι, aufweisen.
Der erste Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Mehrzahl, d.h. beispiels- weise 2, 3, 4 oder mehrere, von sich längs des Gaszutrittswegs erstreckenden Kanälen umfassen. Diese Kanäle haben vorzugsweise eine Höhe von 5 bis 50 Mikrometer, insbesondere von 10 bis 25 Mikrometer, eine Breite von 50 bis 500 Mikrometer, insbesondere von 100 bis 150 Mikrometer, und eine Länge von 500 bis 5000 Mikrometer, insbesondere von 1200 bis 3000 Mikrometer. Dabei kann der Gaszutrittsweg derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen in diese Kanäle eintritt. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg zu diesem Zweck gewinkelt ausgestaltet sein. Auch eine leichte Abweichung von einem senkrechten Eintritt ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Abweichung unter einem Winkel von nicht weniger als 45°.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise zumindest teilweise als Strömungsbarrierenschicht ausgebildet sein und/oder mindestens eine derartige Strömungsbarrierenschicht umfassen. Diese Strömungsbarrierenschicht kann insbesondere eine laterale Erstreckung aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Kanäle ist. Die Strömungsbarrierenschicht kann dabei die Kanäle insbesondere zumindest teilweise bedecken. Der Gaszutrittsweg kann derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode zunächst die Strömungsbarrierenschicht mindestens einmal durchtritt, dann die Kanäle durchtritt und anschließend optional die Strömungsbarrierenschicht mindestens ein weiteres Mal durchtritt. Auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode gleich in die Kanäle eintritt, ohne zuvor die Strömungsbarrierenschicht zu durchtreten, um dann nach Austritt aus den Kanälen die Strömungsbarrierenschicht zu durchdringen, um zur ersten Elektrode zu gelangen, ist denkbar.
Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen, mit mehreren Schichtebenen. Der erste Diffusionsbarrierenbereich und der zweite Diffusionsbarrierenbereich können dabei in unterschiedlichen, vorzugsweise aneinander angrenzenden, Schichtebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Diffusionsbarrie- renbereich ganz oder teilweise auf den zweiten Diffusionsbarrierenbereich aufgedruckt sein oder umgekehrt. Beispielsweise kann die Strömungsbarrierenschicht des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf die Kanäle des ersten Diffusionsbarrierenbereichs aufgedruckt werden. Der Gaszutrittsweg kann darüber hinaus einen in einer weiteren, vorzugsweise von den genannten Schichtebenen verschiedenen Schichtebene angeordneten Elektrodenhohlraum der ersten Elektrode aufweisen. Unter einem Elektrodenhohlraum ist dabei ein an die Elektrode angrenzender offener oder mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium gefüllter Hohlraum zu verstehen, welcher ein Gasreservoir vor der Elektrode bildet. Der Elektrodenhohlraum sollte in diesem Fall der Diffusionsbarriere nachgelagert sein.
Weiterhin kann der Gaszutrittsweg einen in einer weiteren Schichtebene, welche auch mit der Schichtebene des Elektrodenhohlraums identisch sein kann, angeordneten An- bindungshohlraum aufweisen. Dieser Anbindungshohlraum ist der Diffusionsbarriere vorgelagert und steht, vorzugsweise ohne Diffusionsbegrenzung und/oder Strömungsbegrenzung, mit dem Messgasraum in Verbindung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Gaszutrittsbohrung senkrecht zu den Schichtebenen und/oder parallel zu den Schichtebenen vorgesehen sein, beispielsweise an einer Stirnseite des Sensorelements. Wie oben bereits ausgeführt, kann der zweite Diffusionsbarrierenbereich, insbesondere ein dem ersten Diffusionsbarrierenbereich nachgelagerter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, vorzugsweise einen größeren Diffusionswiderstand aufweisen als ein Gasdiffusionswiderstand des Anbindungshohlraums.
Das Sensorelement gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen weist gegenüber bekannten Sensorelementen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Vorgeschlagen wird ein neues Diffusionsbarrierenkonzept, welches sowohl in der Fertigbarkeit als auch bezüglich der Einstellung statischer und/oder dynamischer Funktionsmessgrößen sowie den erhöhten Anforderungen an die Versottungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz den Ansprüchen zukünftiger Sensorelementgenerationen entspricht. Die vorgeschlagene Strömungsbarrieren- Diffusionsbarrierenkombination, verbunden mit optimierten Elektrodenhohlraumanbin- dungen und Anbindungen ans Abgas, kann diesen Forderungen Rechnung tragen. Der Hauptdiffusionswiderstand, also der größere Anteil des gesamten Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere, soll an dem ersten Diffusionsbarrierenbereich abfallen. Dieser kann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch Kanäle, insbesondere durch offene Kanäle, realisiert werden. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich hingegen kann insbesondere als feinporöse Schicht (Strömungsbarrierenschicht), beispielsweise mit Porengrößen zwischen 0,03 μηη und 3 μηη und/oder einer Porosität zwischen 5% und 60%, ausgestaltet sein und kann beispielsweise die Kanäle großflächig abdecken. Durch die Ausgestaltung dieser Strömungsbarrierenschicht im Diffusionsweg wird sowohl ein großer Eintrittsbereich für das Gas als auch eine minimale Diffusionsweglänge realisiert. Dadurch wirkt diese Strömungsbarrierenschicht vornehmlich als Strömungs- barriere, also als Dämpfungselement, mit einem geringen, jedoch durch die Schichtdicke einstellbaren Anteil am Gesamtdiffusionswiderstand. Der Gaszutritt zum Diffusionsweg wird beispielsweise durch Öffnungen in einer diese Strömungsbarrieren- Diffusionsbarrieren-Kombination abdeckenden, gasdichten Abdeckschicht realisiert. Diese Öffnungen ermöglichen beispielsweise einerseits über einen Anbindungshohl- räum und insbesondere ein Gaszutrittsloch (beispielsweise seitlich, stirnseitig und/oder gebohrt) die abgasseitige Anbindung und andererseits über den optionalen Elektrodenhohlraum die Anbindung zur ersten Elektrode. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorelements liegen insbesondere in einer verbesserten Fertig- barkeit, einer Möglichkeit einer Einstellung des k-Werts sowie einer erhöhten Versot- tungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz.
Insgesamt trägt das vorgeschlagene Design den erhöhten Anforderungen an eine neue Grenzstromsensorengeneration bzw. Sensorelementgeneration für Diesel- und Benzinmotoren Rechnung. Für Dieselanwendungen lassen sich insbesondere kleine k- Werte einstellen, bzw. für andere Anwendungen lassen sich k-Werte in einem großen
Bereich einstellen. Geringe Diffusionswiderstände über ein feinporöses Medium (Knudsendiffusion) werden durch das vorgeschlagene Design sicher reproduzierbar gewährleistet, aufgrund eines großen Eintrittsbereichs, eines kleinen Diffusionswegs senkrecht zur Druckrichtung der Strömungsbarriere. In Kombination mit einer offenen Kanalstruktur und dem höheren Diffusionswiderstand (Gasphasendiffusion) sind kleine k-Werte realisierbar. Diese unabhängig voneinander bezüglich des k-Wertes und des Diffusionswiderstands einstellbaren Strömungs- und Diffusionswiderstände ermöglichen aufgrund der speziellen Anordnung der Strömungs-Diffusionsbarrieren- Kombination eine Anpassung und/oder Einstellung der statischen und dynamischen Größen über einen weiten Bereich. Weiterhin ergeben sich geringe Mittelwertverschiebungen und/oder dynamische Druckabhängigkeiten bei kleinen k-Werten. So kann beispielsweise der vorgelagerte zweite Diffusionsbarrierenbereich einen k-Wert von größer als 0,2 bar oder mehr aufweisen. Der nachgelagerte erste Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise einen k-Wert von weniger als 0,2 bar aufweisen. Bei einem kleinen Gesamt-k-Wert kann durch die dem Hauptdiffusionswiderstand in Form des ersten Diffusionsbarrierenbereichs beispielsweise nachgelagerte Strömungsbarriere in Form des nachgelagerten zweiten Diffusionsbarrierenbereichs mit an eine abgedeckte Fläche angepasstem Diffusionswiderstand die Strömungsbelastung des Elektrodenan- bindungshohlraums im Bereich des Übergangs zur Diffusionsbarriere homogenisiert und das Volumen entsprechend minimiert werden. Dadurch kann bei der Realisierung von kleinen k-Werten der Anstieg der DDA MWV gedämpft werden, da das Elektro- denhohlraumvolumen direkt mit den dynamischen Größen korreliert. Neben dieser Wirkung über das Elektrodenhohlraumvolumen wirkt die Strömungsbarriere als dem Hauptdiffusionswiderstand vorgelagerter und optional auch nachgelagerter Knudsen- Diffusionswiderstand (Strömungsbarriere) generell als Dämpfungselement. Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch entfallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbeson- dere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen
Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgradient, z.B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle. Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Versottungsresistenz. Eine vorgelagerte, feinporöse Strömungsbarriere in Form des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, beispielsweise mit einer Porosität von weniger als 40%, wirkt wie ein vorgelagerter Filter. Das vorgeschlagene Design bietet die Möglichkeit, den Eingangsbereich großflächig zu gestalten und damit eine kleine Strömungsdichte zu erzielen und durch die Realisie- rung von Strömungsgradienten im Filter den Einfluss der Versottung, d.h. der Verstopfung der Filterporen, auf die Kennlinie zu minimieren. Durch Strömungsdichtegradienten im vorgelagerten Filter können parallele Leitungspfade geschaffen werden, die bis zu einem gewissen Grad der Versottung, d.h. durch Partikel zugesetzte Poren im Eingangsbereich, diese Versottung kompensieren können, ohne über die Lebensdauer des Sensorelements die funktionellen Größen über die erlaubte Toleranz hinaus zu beeinflussen.
Weiterhin ergibt sich durch das vorgeschlagene Design eine erhöhte Vergiftungsresistenz. Eine homogene Elektrodenbelastung und damit eine verbesserte Vergiftungsre- sistenz werden durch eine homogene Strömungsbelastung des Elektrodenhohlraums, weicher auch als Elektrodenanbindungshohlraum bezeichnet wird, gewährleistet. Diese wird dadurch gewährleistet, dass dem als eigentliche Diffusionsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich der als Strömungsbarriere wirkende erste Diffusionsbarrierenbereich nachgelagert ist, dessen Diffusionswiderstand der Elektrodenhohlraum- geometrie und/oder insbesondere an den Diffusionswiderstand der durch die Elektro- de und/oder den Elektrodenanbindungshohlraum überdeckten Kanalenden in lateraler
Richtung angepasst sein kann. Weitere Voraussetzung kann dabei die grundsätzlich durch das Design realisierbare zentrale Anordnung der ersten Elektrode über dem Gasaustritt sein. Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Grenzstrom-Streuung und/oder der k-
Wert-Streuung, welche in vielen Fällen eine Voraussetzung für einen Schubabgleich ist. Die verbesserte Fertigbarkeit des Gasdiffusionsweges und damit bedingt die geringere Streuung des Grenzstroms und des k-Wertes wird durch die vorgeschlagene neue Anordnung der Bestandteile der Diffusionsbarriere gesichert. Die Minimierung des Einflusses von Verschmierungen und/oder Überlappungen, welche bei herkömmlichen Sensorelementen insbesondere in den Randbereichen der Druckschichten auftreten, auf die Streuung der Grenzströme und/oder der k-Werte wird durch die optionale, zur Druckrichtung senkrechte Durchströmung der gedruckten Bestandteile der Diffusionsbarriere und/oder weiterer Bestandteile des Gaszutrittswegs, insbesondere der An- bindungselemente, erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Sensorelements;
Figur 2 eine perspektivische Detaildarstellung einer Diffusionsbarriere des Sensorelements gemäß Figur 1 ; und
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 10 in verschiedenen Darstellungen gezeigt. Es handelt sich um ein
Ausführungsbeispiel einer Breitband-Lambdasonde. Für weitere Details derartiger Breitband-Lambdasonden und die Betriebsweise derartiger Lambdasonden kann beispielsweise auf den oben bereits genannten Stand der Technik oder beispielsweise die DE 10 2006 062 060 A1 verwiesen werden. Es handelt sich um eine Grenzstrom- Magersonde mit einer eindeutigen Kennlinie. Das Sensorelement 1 10 weist einen
Schichtaufbau auf, mit einer ersten Elektrode 1 12, einer zweiten Elektrode 1 14 und einem diese beiden Elektroden 1 12, 1 14 verbindenden Festelektrolyten 1 16, beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid. Die beiden Elektroden 1 12, 1 14 sind dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in derselben Schichtebene angeordnet. Auch andere Anordnungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Anordnung mit übereinanderliegenden Elektroden 1 12, 1 14, bei welchen die Elektroden 1 12, 1 14 beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten 1 16 angeordnet sind.
Weiterhin weist das Sensorelement 1 10 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel opti- onal eine auf der Oberfläche des Sensorelements 1 10 angeordnete Reduzierelektrode
1 18 auf. Diese Reduzierelektrode 1 18 dient einer Verringerung und optional einer Einstellbarkeit eines Innenwiderstands einer die erste Elektrode 1 12, die zweite Elektrode 1 14 und den Festelektrolyten 1 16 umfassenden Pumpzelle. Die Funktionsweise der Reduzierelektrode ist beispielsweise in DE 10 2006 062 060 A1 beschrieben, auf wel- che auch bezüglich weiterer möglicher Details des Sensorelements 1 10 verwiesen werden kann.
Die zweite Elektrode 1 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Referenzluftkanal 120 angeordnet. Dieser Referenzluftkanal 120 kann beispielsweise die zweite Elektrode 1 14 mit einem Referenzluftraum verbinden, beispielsweise einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs. Der Begriff des„Referenzluftkanals" 120 ist dabei weit zufassen und kann beispielsweise auch einen Abluftkanal umfassen. So kann beispielsweise an der zweiten Elektrode 1 14 ausgebautes Gas über den Referenzluftkanal 120 entweichen. In diesem Fall stellt der Referenzluftkanal 120 einen Abluftkanal dar. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausges- taltungen, bei welchen die zweite Elektrode 1 14 direkt oder indirekt mit einem Messgasraum 122 in Verbindung steht.
Die erste Elektrode 1 12 ist über einen Gaszutrittsweg 124 mit Gas aus dem Messgas- räum 122 beaufschlagbar. Dieser Gaszutrittsweg 124 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen in der Schichtebene der Elektroden 1 12, 1 14 angeordneten Anbin- dungshohlraum 126, einen Abschnitt 128, einen Abschnitt 128 mit einer Diffusionsbarriere 130 und einen ebenfalls in der Schichtebene der Elektroden 1 12, 1 14 angeordneten Elektrodenhohlraum 132. Nicht dargestellt in Figur 1 ist eine Anbindung des Anbin- dungshohlraums 126 an den Messgasraum 122, welche beispielsweise durch eine stirnseitige Bohrung, einen Kanal in den Schichtebenen und/oder eine Gaszutrittsbohrung senkrecht zu den Schichtebenen realisiert werden kann. Der Diffusionsweg, welchen das Gas auf dem Weg durch den Gaszutrittsweg 124 zurückzulegen hat, ist in Figur 1 symbolisch mit dem Pfeil 134 bezeichnet.
Die Diffusionsbarriere 130 ist in dem Schichtaufbau unterhalb der Schichtebene mit den Elektroden 1 12, 1 14 angeordnet und von dieser Schichtebene durch eine Abdeck- schicht 136 getrennt. Wie insbesondere aus der perspektivischen Detaildarstellung in Figur 2 hervorgeht, ist die Diffusionsbarriere 130 erfindungsgemäß zweiteilig ausges- taltet und weist einen ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 in Form von parallel zum
Diffusionsweg 134 verlaufenden Kanälen 140 auf, sowie einen darüber liegenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 in Form einer feinporigen Strömungsbarrierenschicht 144. Während diese beiden Bereich 138, 142 begrifflich zu einer Diffusionsbarriere 130 zusammengefasst sind, wirkt tatsächlich der zweite Diffusionsbarrierenbe- reich 142 eigentlich als Strömungsbarriere, wohingegen die eigentliche Diffusionsbarriere durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 gebildet wird. Die Strömungsbarrierenschicht 144 bedeckt dabei die Kanäle 140 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig, so dass Gas auf dem Gaszutrittsweg 124 zunächst die Strömungsbarrierenschicht 144 durchtreten muss, dann in die Kanäle 140 eintritt, durch diese in Richtung des Elektrodenhohlraums 132 strömt und dann ein zweites Mal durch die
Strömungsbarrierenschicht 144 in den Elektrodenhohlraum 132 eintreten muss.
Der erste Diffusionsbarrierenbereich 138 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein und kann beispielsweise die Kanäle 140 in Form von porös gefüllten, gering porös gefüllten, teilweise gefüllten und/oder strukturierten Kanälen umfassen. Dieser erste
Diffusionsbarrierenbereich 138 stellt den Hauptdiffusionswiderstand dar und dient bei- spielsweise zur Einstellung von kleinen k-Werten im Bereich beispielsweise zwischen 0,01 bar < k < 0,3 bar. Je nach Füllung lassen sich jedoch auch abgestimmte k-Werte einstellen, beispielsweise im Bereich zwischen 0,01 bar < k < 5 bar. Die Strömungsbarrierenschicht 144 des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 stellt hingegen eine feinporöse Strömungsbarrierenschicht dar. Es handelt sich um einen Bereich mit hohem k-Wert, beispielsweise k > 0,3 bar. Diese Strömungsbarrierenschicht 144 deckt die Kanäle großflächig ab, was eine Dämpfung und eine Filterwirkung erzeugt. Weiterhin bewirkt diese Strömungsbarrierenschicht 144 einen Einströ- mungsdichtegradienten. Sie gewährleistet zudem eine homogene Strömungsbelastung und/oder Diffusionsbelastung des Elektrodenholraums 132 und/oder des Anbindungs- hohlraums 126. Sie leistet einen geringen Beitrag zum Gesamtdiffusionswiderstand und somit zum gesamten Grenzstrom lp sowie zum gesamten k-Wert. Über die Dicke und/oder die Porosität dieser Strömungsbarrierenschicht 144 kann Einfluss auf dyna- mische und/oder statische Größen genommen werden, beispielsweise die oben beschriebenen Größen der MWV, der DDA und des k-Werts. Hierdurch kann beispielsweise ein Optimum bei einem gegebenen k-Wert und einer Mittelwertverschiebung hinsichtlich der Sondengenauigkeit eingestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sondengeometrien, bei welchen beispielsweise der
Anbindungshohlraum 126, die Diffusionsbarriere 130 und der Elektrodenhohlraum 132 durch sich überlappende Druckschichten hergestellt werden, welche ursächlich sind für Streuungen des Grenzstroms lp und des k-Werts, haben bei dem erfindungsgemäßen Design des Sensorelements 1 10 und insbesondere der mehrteiligen Diffusionsbarriere 130 Hohlraumverschmierungen durch Ungenauigkeiten beim Druck keinen Einfluss auf den Diffusionswiderstand und somit auch nicht auf funktionelle Größen, wie beispielsweise lp und den k-Wert. Zudem ergibt sich eine erhöhte Versottungsresistenz durch die poröse Strömungsbarrierenschicht 144 mit großer Eintrittsfläche, d.h. einer geringen Einstromdichte, und ausreichend parallelen Strömungspfaden und/oder Diffusi- onspfaden über die Kanäle 140, durch Realisierung von Einstromdichtegradienten über der Eintrittsfläche. Der Elektrodenhohlraum 132 und die Oberfläche der ersten Elektrode 1 12 können insbesondere zentral übereinander und oberhalb der Diffusionsbarriere 130 angeordnet sein, wobei beispielsweise die erste Elektrode 1 12 zentral über dem Elektrodenhohlraum 132, weicher auch als Elektrodenanbindungshohlraum wirkt, an- geordnet sein kann. Insgesamt weist das beschriebene Sensorelement 1 10, welches exemplarisch in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist und über die mehrteilige Diffusionsbarriere 130 verfügt, gegenüber herkömmlichen Sensorelementen 1 10 eine Reihe von Vorteilen und zusätzlichen Optionen auf. So verfolgen herkömmliche Breitbandsonden in der Regel das Konzept, dass der Diffusionsweg parallel zur Druckrichtung ausgebildet wird und die
Diffusionselemente vom Gas lateral nacheinander durchströmt werden. Hierzu ist es notwendig, die Einström- und/oder Austrittsbereiche von porösen Diffusionsbarrieren durch Hohlräume an den Gasweg, beispielsweise ein gebohrtes Gaszutrittsloch, anzubinden. Sowohl Diffusionsbarrieren als auch Hohlräume werden dafür mehrfach in Dickschicht-Technik auf eine Folienunterlage mit einem Sicherheitsüberlapp nebeneinander gedruckt. Nicht zu vermeidende Verschmierungen und das Auslaufen der Druckschichten verursachen eine beträchtliche Streuung beim Überlapp der Diffusionselemente, beispielsweise von Hohlräumen und Diffusionsbarrieren. Da die Diffusionsart im Hohlraum (Gasphasendiffusion dominiert) und der Diffusionsbarriere (Knud- sendiffusion und Gasphasendiffusion, je nach Porengrößeverteilung im Verhältnis 0,1 bis 5) stark unterschiedlich ist, resultieren hieraus hohe Werte für die Streuung des Gesamtdiffusionswiderstands und somit im Grenzstrom lp und k-Wert. Daher muss bisher bei allen Seriensensorelementen in der Regel der Grenzstrom am neuen Sensorelement abgeglichen werden.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte neue Konzept der Diffusionsbarriere 130 hingegen sieht vor, dass der Diffusionsweg grundsätzlich senkrecht zur Druckrichtung durch die beispielsweise im Siebdruck in diesem Fall übereinander hergestellten Elemente der Diffusionsbarriere 130 erfolgen muss. Insbesondere durchtritt das Gas die Diffusionsbarriereschicht 144 im Wesentlichen senkrecht, um in die Kanäle 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 zu gelangen. Dadurch wird der Einfluss von Verschmierungen an den Kanten der Druckschichten und den lateralen Diffusionsbar- rieren-Hohlraumanbindungen an die Diffusionsbarriere 130 eliminiert und die fertigungsbedingte Streuung bezüglich des Grenzstroms und/oder des k-Werts minimiert. Die verbleibenden Streuungen, verursacht durch eine uneinheitliche Schichtdicke über das Laminat hinweg, kann beispielsweise durch eine Schubabgleichsstrategie gegebenenfalls weiter eliminiert werden. Eine Anbindung an die als eigentlicher Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere 130 wirkenden Kanäle 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 erfolgt beispielsweise durch Druckschichten, insbesondere die min- destens eine Strömungsbarrierenschicht 144. Auf diese Weise kann eine Anbindung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138, weicher den eigentlichen Diffusionswider- stand bereitstellt, an die Hohlräume 126 und/oder 132 gewährleistet werden. Die Strömungsbarrierenschicht 144 wird senkrecht durchströmt. Die Kanäle 140, also der Bereich, in welchem der Hauptdiffusionswiderstand abfällt, erfahren senkrecht zur Druckschicht der Strömungsbarrierenschicht 144 eine flächige, senkrecht zur Druckrichtung verlaufende Eindiffusion. Ip und k-Wert werden durch Verschmierungen aller den Diffusionswiderstand bestimmenden Druckschichten nicht beeinflusst.
Der Elektrodenhohlraum 132 kann auch mehrteilig ausgestaltet sein und kann, wie in Figur 1 angedeutet, unterhalb des eigentlichen Elektrodenhohlraums 132 einen Elekt- rodenanbindungshohlraum 146 umfassen, welcher an die Strömungsbarrierenschicht 144 angebunden ist. Bevor das Gas senkrecht in den Elektrodenanbindungshohlraum 146 einströmt und sich homogen im Elektrodenhohlraum 132 verteilen kann, diffundiert das Gas in den Kanälen 140, welche den Hauptdiffusionswiderstand bereitstellen. Die Länge des Diffusionsweges in den Kanälen 140 und somit die Größe des Diffusionswiderstands kann insbesondere durch den Abstand der Öffnungen in der Abdeckschicht 136 und somit lediglich durch einen gut definierten Prozessschritt bestimmt werden. Die Kanäle 140 können insbesondere eine Länge zwischen 0,5 und 5 mm aufweisen, insbesondere von 1 ,5 mm. Die Öffnungen in der Abdeckschicht 136 werden so platziert, dass die auslaufenden Kanalenden der Kanäle 140 keinen Beitrag zum Diffusionswiderstand leisten. Der Einfluss der Verschmierungen an den Enden der Kanäle 140 auf den Grenzstrom und/oder den k-Wert kann dadurch eliminiert werden.
Verbleibende Differenzen in den Öffnungsgeometrien, fertigungstechnisch verursacht beispielsweise durch ein Auslaufen und/oder Verschmieren beim Druck der Abdeckschicht 136, haben zudem einen nur marginalen Einfluss auf die Größe des Diffusionswiderstandes, da die Länge des Diffusionsweges um ca. einen Faktor 100 größer ist als die zu erwartenden Differenzen in den Öffnungsgeometrien. Das vorgeschlagene Design erfüllt dadurch die Forderungen an eine geringe Neuwertstreuung der Grenzströme zur Eliminierung eines Sensorelementabgleichs, welcher hohe Kosten verursacht, zu Gunsten einer Umsetzung eines Abgleiche über eine Schubabgleichs- strategie in Dieselanwendungen.
Weiterhin kann das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Design des Sensorelements 1 10 leicht angepasst werden, um dynamische und/oder statische Messgrößen zu optimieren. So ist beispielsweise für die Genauigkeit der Messung im Dieselabgas ein kleinerer k-Wert erforderlich, beispielsweise k < 0,3 bar, bezüglich der gesamten Diffusions- barriere 130. Dieser k-Wert ist kleiner als der üblicherweise in herkömmlichen Lamb- dasonden realisierte k-Wert, welcher typischerweise oberhalb von 0,4 bar liegt. Mittels des erfindungsgemäßen Designs wird der Diffusionsweg 134 derart gestaltet, dass der Anteil der Gasphasendiffusion am Gesamtdiffusionswiderstand gegenüber der Knud- sendiffusion entsprechend angehoben werden kann. Des Weiteren kann es essentiell sein, dass das Design für einen kleinen k-Wert derart ausgelegt wird, dass die Mittelwertverschiebung nicht derart erhöht wird, dass diese den Vorteil der verbesserten Genauigkeit bei kleinen k-Werten zunichte macht. Aufgrund des Trends, dass die Mittelwertverschiebung bei Reduzierung des k-Werts ansteigt, muss für ein Maximum an Sondengenauigkeit beim Betrieb im Dieselabgasstrang ein Optimum für beide Werte gefunden und gezielt eingestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Design der Diffusionsbarriere 130 mit dem als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 und dem als eigentlicher Diffusionswiderstand wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 mit seinen offenen oder offen porigen Kanälen 140 kann ge- nau diese Optimierung erreicht werden. Der Gaszutrittsweg 124 ist derart gestaltet, dass der Hauptdiffusionswiderstand an den offenen oder offenporigen Kanälen 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 abfällt. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 wird durch die großflächige Strömungsbarrierenschicht 144 realisiert, welche feinporös ausgestaltet wird. Der Gaszutritt wird durch die Öffnungen in der dichten Ab- deckschicht 136 realisiert. Durch die offenen oder offenporigen Kanäle 140 wird der
Hauptdiffusionswiderstand hauptsächlich durch die Gasphasendiffusion getragen, und die geforderten k-Werte zwischen 0,01 bar und 0,3 bar werden je nach Strukturierung, Breite und Höhe der Kanäle 140 für die Anwendung im Dieselmotor erreicht. Dem Diffusionswiderstand der offenen Kanäle 140 ist der zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 in Form der Strömungsbarrierenschicht 144 vor- und/oder nachgelagert. Dieser zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 kann als Schicht aus feinporösem Material realisiert werden und kann die Kanäle 140 großflächig abdecken. Der Gaszutritt zu diesem zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 wird, wie oben dargestellt, durch Öffnungen in der Abdeckschicht 136 realisiert, welche in den Figuren allgemein mit den Bezugszif- fern 148, 150 bezeichnet sind. Da der Diffusionswiderstand in der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 um ein Vielfaches größer ist als in den Kanälen 140, diffundiert das Abgas senkrecht durch diese, beispielsweise als Druckschicht ausgebildete Strömungsbarrierenschicht 144, welche beispielsweise eine Dicke von 20 bis 100 μηι aufweist, in die Kanäle 144. Das Design kann so ausgelegt werden, dass der Diffusionswiderstand der porösen Diffusionsbarriereschicht 144 aufgrund der senkrechten Durchströmung dieser Schicht und durch die geringe Schichtdicke (Weglänge) im Vergleich zum Widerstand in den Kanälen 140 um Größenordnungen kleiner ist. Das Design stellt also sicher, dass der resultierende Gesamt-Grenzstrom und der resultierende Gesamt-k-Wert nur begrenzt durch diese als Strömungsbarriere fungierende Diffusionsbarriereschicht 144 beein- flusst wird. Der k-Wert und der Grenzstrom der Kanäle 140 bestimmen den k-Wert bzw. den Grenzstrom des Sensorelements 1 10. Weiterhin kann die poröse Strömungsbarrierenschicht 144 einen dämpfenden Effekt aufweisen, der die DDA und die MWV nicht überdimensional ansteigen lässt. Diese feinporöse Strömungsbarriere in
Form der Strömungsbarrierenschicht 144 sorgt im Austrittsbereich der Diffusionsbarriere 130 insgesamt auch dafür, dass auch der hintere Elektrodenhohlraum 132 und/oder dessen Elektrodenanbindungshohlraum 146 homogen belastet wird. Wird der als Strömungsbarriere wirkende zweite Diffusionsbarrierenbereich 142, beispielsweise die Strömungsbarrierenschicht 144, bezüglich des Diffusionswiderstandes so ausgelegt, dass bereits an der gesamten Grenzfläche zu dieser Strömungsbarrierenschicht 144 der Elektrodenhohlraum 132 und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum 146 homogen durchströmt wird, so kann eine homogene Elektrodenbelastung der ersten Elektrode 1 12 bei minimierter Anbindungshohlraumhohe realisiert werden. Die Reduzierung des Volumens des Elektrodenhohlraums 132 auf ein technisches Minimum ist jedoch eine Grundvoraussetzung für niedrige Werte der DDA bzw. der MWV. Das vorgeschlagene Design mit der speziellen Anordnung von Diffusionsbarrieren und Strömungsbarrieren bietet also erstmalig die Möglichkeit, kleine k-Werte, homogene Elektrodenbelastung bei minimierter Elektrodenhohlraumhöhe und eine moderate MWV/DDA ineinan- der zu vereinen. Wirkt die Strömungsbarrierenschicht 144 über die gesamte Anbin- dungsfläche vollständig homogenisierend, so kann die Elektrodenhohlraumhöhe gegebenenfalls auf Null reduziert werden. Wirkt die Strömungsbarrierenschicht 144 nur bedingt homogenisierend aufgrund zu hoher Porosität und/oder zu geringer Schichtdicke, so sollte über eine Vergrößerung der Elektrodenhohlraumhöhe eine Homogenisierung erreicht werden.
Der Elektrodenhohlraum 146 kann beispielsweise eine Höhe zwischen 20 und 200 Mikrometern aufweisen.
Die Strömungsbarrierenschicht 144 kann auch lediglich dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138, welcher als Diffusionsbarrierenschicht wirken kann, nachgelagert sein oder lediglich vorgelagert sein. Insbesondere kann dies im Zusammenhang mit der Ausgestaltung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 in Form der Kanäle 140 realisiert werden. Auf diese Weise kann die Strömungsbarrierenschicht beispielsweise als Homogenisierungsschicht wirken bzw. ausgestaltet sein. Die Homogenisierungsschicht sollte insbesondere in diesem Fall und zum Zweck der Homogenisierung eine geringere Porosität aufweisen als der erste Diffusionsbarrierenbereich 138, welcher vorzugsweise in Form der Kanäle 140 ausgestaltet ist.
Je nach Schichtdicke und Porosität der Strömungsbarrierenschicht 144 kann dabei der Anteil des Diffusionswiderstandes dieser Schicht am Gesamtdiffusionswiderstand und somit am Grenzstrom, am k-Wert, an der DDA und der MWV und die Gasverteilung, wenn auch nicht unabhängig voneinander, so jedoch je Einsatzbedingungen gezielt für eine hohe Genauigkeit eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei dem vorgeschlagenen Designkonzept zur gezielten Einstellung dieser statischen und/oder dynamischen Größen Layoutanpassungen nur in einem sehr begrenzten Umfang notwendig sind. Ist beispielsweise die MWV bei den kleinen einzustellenden k-Werten zu hoch, so kann bereits durch Anpassung der Schichtdicke der Strömungsbarrierenschicht 144 und/oder eine Verringerung der Porosität des Materials der Anteil des Diffusionswiderstands der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 (Knudsendiffusion) am Gesamtdiffusionswiderstand erhöht werden, was mit einer Anhebung des k-Werts und einer Verringerung der MWV einhergeht. Je nach Anforderung und Einsatzbedingung kann so ein Optimum an Sondengenauigkeit erreicht werden. In Verbindung mit der Möglichkeit, über die Kanalgeometrie und/oder die Kanalfüllungen der Kanäle 140 zusätzlich Einfluss auf die Diffusionswiderstandsanteile und/oder die Diffusionseigen- schatten und damit die dynamischen und/oder statischen Größen zu nehmen, erhöht sich die Möglichkeit der Optimierung.
Mit dem Design der unabhängig voneinander variierbaren Diffusionsbarrierenbereiche 138, 142, welche als Diffusionswiderstand bzw. als Strömungswiderstand wirken, kön- nen demzufolge in einem weiten Bereich dynamische und/oder statische Größen relativ einfach und breit variiert werden, insbesondere bei Hochtemperaturgrenzstromson- den, indem beispielsweise die Kanalstrukturierung (z.B. über reproduzierbare Engstellen), die Kanalgeometrie (beispielsweise über den Eintrittsquerschnitt und/oder die Länge), die Kanalfüllung (offen, porös, offen und porös) einerseits und das Material (Porosität) und Geometrie (Dicke, Eintrittsfläche) der Strömungsbarrierenschicht 144 andererseits entsprechend ausgelegt werden können. Das vorgeschlagene Design des Sensorelements 1 10 zeichnet sich auch durch eine gegenüber herkömmlichen Sensorelementen erheblich verbesserte Versottungs- und Vergiftungsresistenz aus. So ist der Eingangsbereich der kombinierten Strömungs- /Diffusionsbarriere 130 so gestaltet, dass Partikel, je nach Größe und in Abhängigkeit von der Dicke und Porosität bzw. Zusammensetzung der Strömungsbarrierenschicht 144, welche als Strömungsbarriere wirkt, dort am Weitertransport behindert werden. Der Partikelstrom zur ersten Elektrode 1 12 hin wird durch die Filterwirkung der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 zumindest weitgehend unterbunden, unter Beibehaltung des kleinen k-Wertes, da die durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 gebildete Strömungsbarriere durch das vorgeschlagene Designkonzept sehr dünn gestaltet werden kann und somit der Beitrag dieses Knudsen-Diffusionswiderstandes zum Gesamtdiffusionswiderstand gering gehalten werden kann.
Um dabei ein Versotten des Eintrittsbereichs, der als Filter wirkt, zu minimieren, ermöglicht das vorgeschlagene Design, den Eingangsbereich der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144 um ein Vielfaches größer gegenüber herkömmlichen Sensorelementen 1 10 zu gestalten. Die Einstromdichte wird dadurch um einen Faktor von 3 bis 15 verringert, und die Versottungsanfälligkeit drastisch reduziert. Zusätzlich wird durch das Design ein Einstromdichtegradient (einstellbar über die Fläche, die Dicke und die Porosität) erzeugt. Dadurch wird der Einfluss einer Versottung, beispielsweise durch eine Verstopfung der Poren der Strömungsbarrierenschicht 144, des Diffusionsbarriereneingangsbereichs auf das Sondensignal minimiert, indem zuerst die Bereiche mit der größten Einstromdichte versotten und Bereiche mit einer anfänglich geringeren Einströmungsdichte dies über die Lebenszeit des Sensorelements 1 10 kompensieren können. Da diese parallelen Leitungspfade bei dem vorgeschlagenen Design den Diffusionsweg des Hauptdiffusionswiderstands der darunterliegenden Kanäle 140 nur unwesentlich verlängern, hat dies bis zu einem gewissen Versottungsgrad keinen oder lediglich einen unwesentlichen Einfluss auf die Kennlinie des Sensorelements 1 10. Trotz der kleinen k-Werte bietet das vorgeschlagene Design also die Möglichkeit, über eine große Eintrittsfläche, Einstromdichtegradienten und Variation der Dicke und/oder Porosität des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 die Versottungsre- sistenz entscheidend zu verbessern.
Die verbesserte Vergiftungsresistenz, also die geringere Anfälligkeit der Elektrode 1 12 gegenüber einer Vergiftung, wird durch die homogene Stromdichteverteilung an der als Einbauelektrode fungierenden ersten Elektrode 1 12 gesichert. Im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten mit einer lateralen Durchströmung von Diffusionswiderständen und/oder Elektrodenhohlräumen und damit verbunden inhomogenen Elektrodenbelastungen (Stromdichteverteilungen) kann bei dem vorgeschlagenen Designkonzept des Sensorelements 1 10 die Elektrode 1 12 mit ihrer Elektrodenoberfläche senkrecht zum Diffusionsweg 134 angeordnet werden, beispielsweise über den senkrecht zur Diffusionsrichtung angeordneten Elektrodenhohlraum 132. Da auch dieser Elektrodenhohlraum 132 homogen belastet werden kann, kann die als Strömungsbarriereschicht wirkende Strömungsbarrierenschicht 144 am Gasaustritt der Diffusionsbarriere 130 bewirken. Es wird darauf hingewiesen, dass diese als Strömungsbarriere wirkende
Strömungsbarrierenschicht 144 an der zweiten Öffnung 150 hin zum Elektrodenhohlraum 132 identisch oder getrennt von der Strömungsbarrierenschicht 144 an der ersten Öffnung 144 hin zum Anbindungshohlraum 126 ausgestaltet werden kann. In dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine gemeinsame Strömungsbarrierenschicht 144. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Zur besseren Fertigbarkeit und/oder Prozesssicherheit ist die Verwendung einer einzigen Strömungsbarrierenschicht 144 bevorzugt. Die Dicke, die Porosität und die Austrittsfläche der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144 sollte für diese homogene Belastung jedoch an die Hohlraumhö- he, die Elektrodenfläche und den gesamten Diffusionswiderstand angepasst werden.
Für eine homogene Elektrodenbelastung und eine geringe MWV ist es optimal, wenn insbesondere im Bereich der zweiten Öffnung 150 bei dem Elektrodenanbindungshohl- raum 146 eine Strömungsbarriere mit angepasster Dicke und/oder Porosität realisiert wird, deren Diffusionswiderstand höher ist als der derjenige der Kanäle 140 im Bereich der zweiten Öffnung 150. Dadurch wird über den gesamten Bereich der Anbindungs- fläche des Elektrodenhohlraums 132 an den als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 eine homogene Belastung gewährleistet, und der Elektrodenhohlraum 132 kann bezüglich der Höhe minimiert werden und somit auch die durch das Volumen des Elektrodenhohlraums 132 verursachte DDA und/oder MWV.
Alternativ können Strömungsinhomogenitäten an der Anbindungsfläche des Elektrodenhohlraums 132 durch eine Vergrößerung der Hohlraumhöhe für eine homogene E- lektrodenbelastung, d.h. homogenere Stromdichteverteilung, teilweise ausgeglichen werden, was jedoch in der Regel auf Kosten der dynamischen Sondeneigenschaften realisiert wird. Das vorgeschlagene Design bietet also die Möglichkeit, trotz einer minimalen Elektro- denhohlraumhöhe und dadurch bedingt geringer MWV, die Vergiftungsresistenz zu erhöhen, indem eine nachgelagerte, als Strömungswiderstand wirkende Diffusionsbarrie- reschicht 144 mit angepasstem Diffusionswiderstand als Abdeckschicht über dem als eigentliche Diffusionsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 mit kleinem k-Wert (Kanäle 140) eine homogene Elektrodenhohlraumbelastung und homogene Stromdichteverteilung der ersten Elektrode 1 12 gewährleistet wird.
Aus den obigen Ausführungen ist auch ersichtlich, dass die Anforderungen an den als Strömungsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 im Eingangsbereich der ersten Öffnung 148 und im Austrittsbereich der zweiten Öffnung 150 der Diffusionsbarriere 130 je nach geforderter Auslegung des Diffusionsbarrierendesigns zur Einstellung des Grenzstroms und/oder des k-Werts und zur Auslegung des Sensorelements, insbesondere der Pumpzelle, unterschiedlich sein können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Anpassung an eine unterschiedliche Elektrodengeometrie, an unterschiedliche Stromdichten oder Ähnliches gewährleistet werden.
Beispielsweise können die Anforderungen an den zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 im Bereich des Gaseintritts an der Öffnung 148 eine geringere Schichtdicke der Strömungsbarrierenschicht 144 erfordern, eine hohe Porosität, eine geringe Porengröße bei geringem Diffusionswiderstandsanteil dieses Teils des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 am Gesamtdiffusionswiderstand der Diffusionsbarriere 130. Hierdurch kann eine Filterwirkung und die Erzeugung von Strömungsdichtegradienten im Eintrittsbereich die Versottungsresistenz bei kleinem k-Wert des Sensorelements garantieren.
Die Ausgestaltung des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, welcher dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 nachgelagert ist, also im Bereich der zweiten Öffnung 150, kann hingegen unterschiedlich erfolgen. So kann beispielsweise die Anpassung des Diffusionswiderstands des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, welcher dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 nachgelagert ist, also beispielsweise im Bereich der zweiten Öffnung 150, im Austrittsbereich für eine homogene Durchströmung des Elektrodenanbindungshohlraums 146 und somit für eine homogene Elektrodenbelas- tung zur Gewährleistung der Vergiftungsstabilität einen höheren Diffusionswiderstand erfordern als im Eingangsbereich an der ersten Öffnung 148, also dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 vorgelagert.
Auch diese Überlegung kann bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement 1 10 berück- sichtigt werden. Das Design bietet die Möglichkeit einer Anpassung insofern, dass beim Herstellen der Strömungsbarrierenschicht 144, beispielsweise beim Siebdruck, diese Strömungsbarrierenschicht 144 beispielsweise vorgelagert und nachgelagert dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. So können beispielsweise vorgelagert und nachgelagert Materialien mit unter- schiedlicher Porosität gedruckt werden, oder es kann die Anzahl der Druckschritte vorgelagert und nachgelagert unterschiedlich gestaltet werden und somit über die Höhe der vorgelagerten bzw. nachgelagerten Strömungsbarrierenschicht 144 unterschiedliche Diffusionseigenschaften für den Eingangs- und Ausgangsbereich eingestellt werden.
Alternativ können, je nach Auslegung des Diffusionswiderstands der Kanäle 140 und der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144, die Größe der Öffnungen 148, 150 in der Abdeckschicht 136 für die Hohlraumanbindungen im Eingangsbereich und Ausgangsbereich der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungs- barrierenschicht 144 angepasst werden und dadurch die Diffusionswiderstände unterschiedlich gestaltet werden. Um bei einem generell hohen Diffusionswiderstand des als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, insbesondere der Strömungsbarrierenschicht 144, zur Gewährleistung einer homogenen Elektroden- hohlraumhöhe auch Strömungsdichtegradienten im Eingangsbereich zu erzeugen, ist die Öffnung 148 im Eingangsbereich vorzugsweise entsprechend groß zu wählen, um den Diffusionswiderstand an dieser Stelle zu verringern.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 10 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht zunächst in weiten Teilen im Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2, so dass weit gehend auf die obige Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
Im Unterschied zum obigen Ausführungsbeispiel zeigt Figur 3, dass grundsätzlich die erste Elektrode 1 12 und die zweite Elektrode 1 14 auch in unterschiedlichen Schicht- ebenen des Schichtaufbaus angeordnet sein können. So ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 die zweite Elektrode 1 14, welche beispielsweise zweiteilig ausges- taltet sein kann, in einer höheren Schichtebene und auf gegenüberliegenden Seiten eines Festelektrolyten 1 16 oder mehrerer Festelektrolytschichten angeordnet.
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 ein Gaszutritt 152 auf einer Stirnseite 154 des Sensorelements 1 10 angeordnet. Auch dies ist nicht zwingend erforderlich. So zeigt das Ausführungsbeispiel in Figur 3, dass der Gaszutritt 152 auch auf einer Oberseite 156 des Schichtaufbaus des Sensorelements 1 10 vorgesehen sein kann und mit der Diffusionsbarriere 130 oder dem optionalen Anbindungs- hohlraum 126 beispielsweise durch ein Gaszutrittsloch 158, welches den Schichtauf- bau durchdringt und beispielsweise als Bohrung ausgestaltet sein kann, verbunden sein kann.

Claims

Ansprüche
1 . Sensorelement (1 10) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (122), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (122), umfassend mindestens eine erste Elektrode (1 12), weiterhin umfassend mindestens eine zweite Elektrode (1 14) und mindestens einen die erste Elektrode (1 12) und die zweite Elektrode (1 14) verbindenden Festelektrolyten (1 16), wobei die erste Elektrode (1 12) über einen Gaszutrittsweg (124) mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschlagbar ist, wobei der Gaszutrittsweg (124) mindestens eine Diffusionsbarriere (130) aufweist, wobei die Diffusionsbarriere (130) mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) aufweist, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) feinporiger ausgestaltet ist als der erste Diffusionsbarrierenbereich (138).
2. Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Dif- fusionsbarrierenbereich (142) dem ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) vorgelagert und/oder nachgelagert ist.
3. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Gas aus dem Messgasraum (122) zunächst durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) hindurchtritt, dann durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und anschließend erneut durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich.
4. Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gas durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) senkrecht zu einer Schichtstruktur hindurchtritt und durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) lateral zur
Schichtstruktur hindurchtritt.
5. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) zu einem überwiegenden Anteil zu einem Diffusi- onswiderstand der Diffusionsbarriere (130) beiträgt, wobei der zweite Diffusions- barrierenbereich (142) als Strömungsbarriere und/oder Homogenisator am Anfang und/oder Ende der Diffusionsbarriere (130) wirkt.
6. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zwei- te Diffusionsbarrierenbereich (142) ein poröses Material mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften aufweist: eine Porengröße zwischen 0,03 μηη und 3 μηη; eine Porosität zwischen 5% und 60%, insbesondere eine Porosität kleiner als 40%.
7. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) eine Dicke zwischen 10 μηη und 200 μηη, insbesondere eine Dicke zwischen 20 μηη und 100 μηη, aufweist.
8. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) eine Mehrzahl von sich längs des Gaszutrittswegs (124) erstreckenden Kanälen (140) umfasst.
9. Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Gas aus dem Messgasraum (122) auf dem Weg zur ersten Elektrode (1 12) im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen (140) in die Kanäle (140) eintritt.
10. Sensorelement (1 10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) zumindest teilweise als Strömungsbarrierenschicht (144) ausgebildet ist und/oder mindestens eine Strömungsbarrieren- schicht (144) umfasst, wobei die Strömungsbarrierenschicht (144) eine laterale
Erstreckung aufweist, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Kanäle (140) ist.
1 1 . Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strömungs- barrierenschicht (144) die Kanäle (140) zumindest teilweise bedeckt.
12. Sensorelement (1 10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaszutrittsweg (124) derart eingerichtet ist, dass Gas aus dem Messgasraum (122) auf dem Weg zur ersten Elektrode (1 12) die Strömungsbarrierenschicht (144) zunächst mindestens einmal durchtritt, dann die Kanäle (140) durchtritt und anschließend die Strömungsbarrierenschicht (144) mindestens ein weiteres Mal durchtritt.
13. Sensorelement (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (1 10) einen Schichtaufbau aufweist, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) und der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) in unterschied liehen, vorzugsweise aneinander angrenzenden Schichtebenen angeordnet sind.
14. Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gaszutrittsweg (124) weiterhin einen in einer weiteren Schichtebene angeordneten Elekt rodenhohlraum (132) der ersten Elektrode (1 12) umfasst, wobei der Elektrodenhohlraum (132) der Diffusionsbarriere (130) nachgelagert ist.
15. Sensorelement (1 10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaszutrittsweg (124) weiterhin einen in einer weiteren Schichtebene angeordneten Anbindungshohlraum (126) aufweist, wobei der Anbindungshohlraum (126) der Diffusionsbarriere (130) vorgelagert ist.
16. Sensorelement (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142), insbesondere ein dem ersten Diffusionsbarrierenbe reich (138) nachgelagerter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs (142), einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als ein Gasdiffusionswiderstand des Anbindungshohlraums (126).
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