WO2013092925A1 - Sensorelement mit luftdruckmessung - Google Patents

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WO2013092925A1
WO2013092925A1 PCT/EP2012/076503 EP2012076503W WO2013092925A1 WO 2013092925 A1 WO2013092925 A1 WO 2013092925A1 EP 2012076503 W EP2012076503 W EP 2012076503W WO 2013092925 A1 WO2013092925 A1 WO 2013092925A1
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sensor element
sensor
measuring
pressure
layer
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PCT/EP2012/076503
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Inventor
Willibald Reitmeier
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Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • G01M15/104—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases using oxygen or lambda-sensors
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
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    • G—PHYSICS
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention relates to a sensor element with an air pressure measurement, which enables a pressure compensation of a measured value determined by the sensor element.
  • oxygen sensors are mainly used in the form of lambda sensors. This type of sensor measures oxygen in a gas volume. A conclusion on the total oxygen content in the gas volume is not possible, however, since the determined oxygen content depends on the prevailing partial pressure in the measuring space and possibly also the reference air, if sensors with coupling to a reference air environment are used.
  • an air pressure measurement is required, which is generally carried out with an air pressure gauge separate from the sensor element. After the separate pressure measurement, a calculated pressure compensation calculation is then necessary in order to be able to determine the total oxygen content in the measurement gas.
  • the publication DE 697 24 746 T2 discloses a microstructure carrying system.
  • the micro device carrying system comprises bonded laminates which serve as carriers for air channels, microactuators and sensors.
  • the sensors may include, among other things, a pressure sensor that may be embedded in one of the laminate layers.
  • the publication DE 101 17 486 A1 shows various embodiments of a semiconductor component designed as a heat conduction sensor, wherein an embodiment of the heat conduction sensor comprises a temperature sensor and a heating element. Based on a heat output that is required to maintain a defined or constant temperature, a Um- worksstik and / or a type or composition of a gas.
  • the document DE 10 2010 018 499 A1 relates to a printed circuit board multilayer structure with a layer stack and a cavity in the interior of the layer stack.
  • the cavity is exposed by a provided in the layer stack opening to a surrounding pressure and covered by a liquid-impermeable membrane.
  • the membrane may facilitate gas diffusion.
  • the publication DE 10 2009 044 645 A1 relates to a method for producing at least one cavity in a microelectronic and / or micromechanical structure using at least one sacrificial layer, wherein the sacrificial layer is degraded by subliming the material of the sacrificial layer and a cavity is formed in the structure.
  • the publication DE 10 2004 043 356 A1 relates to a method for producing a micromechanical sensor element, in which a cavern is produced in a substrate by means of a trench etching process from two steps of a trench of different lengths of time.
  • the sensor element can be used inter alia for detecting a pressure variable and an air mass.
  • a sensor element with air pressure measurement comprises a layer stack comprising a plurality of layers arranged one above the other, at least a first of the layers containing a measuring sensor device for measuring a different measured variable from an ambient pressure of the sensor.
  • a measuring sensor device for measuring a different measured variable from an ambient pressure of the sensor.
  • a second of the layers is a Pressure measuring device for measuring the air pressure in an environment on one side of the sensor element or a channel for coupling a pressure measuring device to an environment on one side of the sensor element included.
  • the measuring sensor device contained in the layer stack is extended by the function of the pressure measurement for the purpose of measuring a measured variable which differs from an ambient pressure of the sensor.
  • the measuring sensor device can be designed, for example, for measuring an oxygen content of the surroundings of the sensor element.
  • the pressure measuring device can be designed to be suitable for absolute and relative pressure measurements.
  • the channel for coupling the pressure measuring device may be contained in a layer of the layer stack for gas guidance to an external pressure measuring device. With permanently heated measuring tip of the sensor element, this serves at the same time as a cleaning barrier against moisture and particles (pyrolysis) for the incipient air channel in the substrate.
  • the pressure measuring device can be arranged such that the air pressure measurement takes place in an exhaust gas environment, as well as in the cool, clean contact region of a reference environment. For contacting the pressure measuring device, parts of the electrodes used for the oxygen measurement can be used.
  • the structure of the sensor element can be made according to the standard multilayer ceramic technology.
  • An adjustment of the pressure measuring cell can be done by grinding the Waferobertlächen the layer stack. For tolerance narrowing, the range of
  • FIG. 1 shows an embodiment of a broadband probe for detecting an oxygen content of a gas.
  • FIG. 2A is a perspective view of a planar element and a heating device of a broadband probe
  • FIG. 2B shows a cross section through a heating device of a broadband probe
  • 2C shows a cross section through a planar element of a
  • FIG. 3 shows an embodiment of a sensor element in a planar design
  • FIG. 4 shows an embodiment of a sensor element with a
  • FIG. 5A shows an embodiment of a pressure measuring device of a
  • FIG. 5B shows an embodiment of a pressure measuring device of a
  • FIG. 6A shows an embodiment of a pressure measuring device of a
  • FIG. 6B shows an embodiment of a pressure measuring device of a
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a sensor element with an air pressure measurement
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a sensor element with an air pressure measurement.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor element for measuring an oxygen content in an environment of the sensor element, which is designed as a broadband probe.
  • the broadband probe comprises a measuring sensor device 20 and a heating device 60.
  • the measuring sensor device 20 has porous diffusion passages 21, 22 and a detection chamber 23.
  • the diffusion passages and the detection chamber may be disposed in a substrate of zirconia (ZrC> 2).
  • Heating means 60 may be implemented as a ceramic heating element contained in a substrate of alumina (Al 2 O 3).
  • FIG. 2A shows a perspective view of the sensor element with the measuring sensor device 20 for measuring an oxygen content and the heating device 60, which are arranged one above the other in a stack arrangement.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view in the area AA 'of the sensor element through the heating device 60
  • FIG. 2C shows a cross-sectional view in the area AA' of the sensor element by the measuring sensor device 20.
  • the measuring sensor device 20 is suitably designed for measuring an oxygen content in the surroundings of the sensor element and comprises a sensor cell 23 and a pumping cell 24, which are arranged one above the other in a layer stack.
  • An evaluation circuit 100 generates between electrode terminals AI and A2 a pumping current lp, which is the measured variable for the lambda value in the vicinity of the oxygen measuring sensor device.
  • the gas of the environment passes via the porous diffusion passages 21, 22 into the measuring chamber 23, where the oxygen content is determined with the aid of measuring electrodes and compared with a desired value.
  • the pumping current lp is then activated, which is the Adjust oxygen concentration in the detection chamber 22 to a desired value.
  • the lambda value thus measured can be forwarded to a control unit for evaluation.
  • the pumping current is proportional to the residual oxygen content in the vicinity of the sensor element.
  • Figures 3, 4, 7 and 8 each show an embodiment of a sensor element in a planar design, which is suitable for measuring an oxygen content in an environment of the sensor element.
  • the sensor element can in particular as a
  • Lambda sensor be formed.
  • the sensor element has a layer stack 10 of a plurality of layers 11, 12 and 13 arranged one above the other.
  • the layer stack 10 may be constructed of ceramic materials.
  • the layer 11 is designed to conduct at high temperature, for example, more than 650 ° C for oxygen ions may contain, for example, zirconium oxide.
  • the measuring sensor device 20 which according to the form shown in FIG. 2C can have the sensor cell, the measuring chamber and the pump cell, is arranged on one side S1 of the sensor element 1.
  • the layer 12 may be formed as an insulating layer and comprise a material of aluminum oxide (Al 2 O 3). In the
  • Layer 12 may be included near the side Sl of the sensor element below the measuring sensor device 20, the heating device 60.
  • the heating device 60 is configured to heat a diffusion area around the measuring sensor device 20.
  • a channel 50 is arranged in the layer 13 arranged between the layers 11 and 12, a channel 50 is arranged in the layer 13 arranged between the layers 11 and 12, a channel 50 is arranged in the layer 13 arranged between the layers 11 and 12, a channel 50 is arranged.
  • the layer 13 may also be an insulating layer comprising a material
  • An end E50a of the channel 50 opens into an environment of the sensor element.
  • Another end E50b of the channel 50 terminates in the layer 13 between the measuring sensor device 20 and the heating device 60.
  • the channel 50 terminates in a portion of the layer 13 below the measuring sensor device 20 and above the heating device 60.
  • the channel 50 is designed as a reference air channel through which the oxygenated Reference air from the environment of the sensor element reaches the diffusion region with the measuring sensor device 20.
  • electrode terminals El are provided on the layer 11.
  • Electrode connections E2 on the layer 12 are used for electrical contacting of the heating element 60.
  • the sensor element can be used to determine an oxygen content in a measurement gas in the vicinity of the sensor element.
  • the measuring environment may be, for example, an exhaust gas flow.
  • a portion B of the sensor element is placed in the vicinity of the reference air.
  • an oxygen value in the measuring environment around the measuring sensor device 20 can be determined.
  • the determined oxygen value depends on the partial pressure in the gas volume of the measuring environment.
  • the partial pressures of the measurement gas on the side Sl of the sensor element to the left of the dashed line and of the reference air in the reference environment on the side S2 of the sensor element to the right of the dashed line be measured.
  • the dashed line clearly separates the measuring environment from the environment of the reference air.
  • the partial pressure of the reference air is assumed to be constant if ambient pressure is assumed.
  • a pressure measuring device 30 is contained in at least one of the layers of the layer stack 10.
  • a channel 40 for coupling a pressure measuring device 30 to an environment of the sensor element is contained in one of the layers of the layer stack.
  • the pressure measuring Device 30 is designed to measure the air pressure in the vicinity of the sensor element.
  • the pressure measuring device 30 for measuring the ambient pressure of the sensor element is contained in the layer 12.
  • the pressure measuring device 30 is arranged closer to the measuring sensor device 20 than at the end E50a of the reference air channel 50. Furthermore, the pressure measuring device 30 is arranged closer to the heating device 60 than at the end E50a of the reference air channel. The pressure measuring device 30 can thus still be located in the heated region of the sensor element.
  • FIGS. 5A, 5B, 6A and 6B show embodiments of the pressure measuring device 30.
  • the pressure measuring device 30 is formed as a capacitive pressure sensor with an electrode 31, an electrode 32, a cavity 33 and a diaphragm 34.
  • the electrodes 31 and 32 are disposed on opposite sides of the cavity 33.
  • the cavity 33 is formed in the layer 12.
  • the electrode 31 is disposed on a surface 013 of the layer 13 below the channel 50.
  • the electrode 32 is arranged on the bottom and optionally the side walls of the cavity 33 in the embodiments of the pressure measuring device shown in FIGS. 5A and 6A.
  • the electrode 32 can be arranged on a surface 12 0 of the layer 12 facing away from the layer 13.
  • the electrode 31 is arranged on the surface 12 of the layer 13 facing the layer 12.
  • the pressure measuring device 30 is designed as an absolute pressure measuring device.
  • the pressure measuring device is designed as a relative pressure measuring device.
  • the reference air channel 50 for supplying the reference air opens into the cavity 33 at one end E50b of the channel.
  • the channel 50 may be arranged in the layer 13 and open from there into the cavity 33 or as a further embodiment, which is shown in broken lines in Figure 6A, the channel 50 may extend in the layer 12 and open from there into the cavity 33 ,
  • FIG. 7 shows an embodiment 3 of the sensor element, in which the pressure measuring device 30 in the layer 12 is arranged closer to the end E50a of the reference air channel 50 than to the heating device 60 or the measuring sensor device 20.
  • a channel 40 is provided in the insulating layer 12.
  • the channel 40 opens at one end E40a on the side Sl of the sensor element in the vicinity of the Sen sorelements in which the sample gas is contained.
  • Another end E40b of the pressure measurement reference channel 40 terminates in the layer 12 and opens into the cavity 33 of the pressure measuring device 30.
  • the end E40a may be formed as a free opening or as an open-pore, gas-permeable layer, for example of a ceramic.
  • the pressure measuring cavity 33 of the pressure measuring device 30 is implemented in the multilayer structure 10.
  • the channel 40 for coupling the pressure measuring device 30 to the surroundings of the sensor element is contained in the layer stack 10.
  • the pressure channel 40 may be included in the layer 12.
  • the pressure-measuring device 30 is connected to the pressure channel 40 at the end E40b or another pressure-transmitting piece, for example a hose, is interposed between the end E40b and the pressure-measuring device 30.
  • the multilayer takes over the pressure line of the measuring medium.
  • the electrode can be used as the electrode
  • Pressure measuring device for example, the Interdigitalelektroden den Jardin be used for measuring the particles.
  • the construction shown can also be used for sensor elements with measuring sensor devices which are intended for other applications, for example for detecting gases or determining a moisture.

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Abstract

Ein Sensorelement mit Luftdruckmessung umfasst einen Schichtstapel (10) aus mehreren übereinander angeordneten Schichten (11, 12, 13). In mindestens einer ersten der Schichten (11) ist eine Messsensoreinrichtung (20) zur Messung einer von einem Umgebungsdruck des Sensors verschiedenen Messgröße enthalten. In der ersten oder mindestens einer zweiten der Schichten (12) ist eine Druckmesseinrichtung (30) zur Messung des Luftdrucks in einer Umgebung auf einer Seite (S1) des Sensorelements oder ein Kanal (40) zum Ankoppeln einer Druckmesseinrichtung (30) an eine Umgebung auf einer Seite (S1) des Sensorelements enthalten.

Description

Beschreibung
Sensorelement mit Luftdruckmessung
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement mit einer Luftdruckmessung, die eine Druckkompensation eines von dem Sensorelement ermittelten Messwertes ermöglicht.
Im Automotive-Bereich finden SauerStoffSensoren vor allem in Form von Lambda-Sensoren Verwendung . Diese Art von Sensoren misst Sauerstoff in einem Gasvolumen. Ein Rückschluss auf den gesamten Sauerstoffgehalt im Gasvolumen ist allerdings nicht möglich, da der ermittelte Sauerstoffgehalt vom herrschenden Partialdruck im Messraum und gegebenenfalls auch der Referenzluft abhängt, falls Sensoren mit Ankopplung an eine Referenzluftumgebung verwendet werden. Um den Luftdruck in der Umgebung des Sensorelements zu ermitteln, ist eine Luftdruckmessung erforderlich, die im Allgemeinen mit einem von dem Sensorelement separaten Luftdruckmesser durchgeführt wird. Nach der separaten Druckmessung ist anschließend eine rechnerische Druckkompensationsrechnung notwendig, um den Gesamtsauerstoffgehalt im Messgas ermitteln zu können .
In der Druckschrift DE 697 24 746 T2 ist ein Mikrovorrich- tungs-Tragesystem angegeben . Das Mikrovorrichtungs-Tragesystem umfasst aneinander gebondete Laminate, die als Träger für Luftkanäle, Mikroaktuatoren und Sensoren dienen. Die Sensoren können unter anderem einen Drucksensor umfassen, der in eine der Laminatschichten eingebettet sein kann.
In der Druckschrift DE 101 17 486 AI sind verschiedene Ausführungsformen eines als Wärmeleitsensors ausgebildeten Halbleiterbauelements gezeigt, wobei eine Ausführungsform des Wärmeleitsensors einen Temperaturfühler und ein Heizelement umfasst. Anhand einer Heizleistung, die erforderlich ist, um eine definierte bzw. konstante Temperatur zu halten, kann ein Um- gebungsdruck und/oder eine Art bzw. Zusammensetzung eines Gases bestimmt werden.
Die Druckschrift DE 10 2010 018 499 AI betrifft einen Lei- terplatten-Mehrschichtaufbau mit einem Schichtstapel und einem Hohlraum im Inneren des Schichtstapels. Der Hohlraum ist durch eine in dem Schichtstapel vorgesehene Öffnung einem umgebenden Druck ausgesetzt und mittels einer flüssigkeitsundurchlässigen Membran abgedeckt. Gemäß einer Ausführungsform kann die Membran eine Gasdiffusion ermöglichen.
Die Druckschrift DE 10 2009 044 645 AI betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht, wobei durch ein Sublimieren des Materials der Opferschicht die Opferschicht abgebaut und in der Struktur eine Kavität gebildet wird.
Die Druckschrift DE 10 2004 043 356 AI betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensorelements, bei dem mittels eines Trenchätzprozesses aus zwei Trenchschritten unterschiedlicher Zeitdauer eine Kaverne in einem Substrat erzeugt wird. Das Sensorelement kann unter anderem zur Erfassung einer Druckgröße und einer Luftmasse verwendet werden.
Es ist wünschenswert, ein Sensorelement mit einer Luftdruckmessung anzugeben, durch die es ermöglicht wird, die zur Druckkompensation des von dem Sensorelement ermittelten Messwertes notwendige Druckmessung direkt mit dem Sensorelement durchzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Sensorelement mit Luftdruckmessung einen Schichtstapel aus mehreren übereinander angeordneten Schichten, wobei in mindestens einer ersten der Schichten eine Messsensoreinrichtung zur Messung einer von einem Umgebungsdruck des Sensors verschiedenen Messgröße enthalten ist. In mindestens einer zweiten der Schichten ist eine Druckmesseinrichtung zur Messung des Luftdrucks in einer Umgebung auf einer Seite des Sensorelements oder ein Kanal zum Ankoppeln einer Druckmesseinrichtung an eine Umgebung auf einer Seite des Sensorelements enthalten.
Bei dem Sensorelement ist die in dem Schichtstapel enthaltene Messsensoreinrichtung zur Messung einer von einem Umgebungsdruck des Sensors verschiedenen Messgröße um die Funktion der Druckmessung erweitert. Die Messsensoreinrichtung kann beispielsweise zur Messung eines SauerStoffgehalts der Umgebung des Sensorelements ausgebildet sein. Die Druckmesseinrichtung kann zur absoluten und relativen Druckmessungen geeignet ausgebildet sein. Der Kanal zum Ankoppeln der Druckmesseinrichtung kann in einer Schicht des Schichtstapels zur Gasführung an eine externe Druckmesseinrichtung enthalten sein. Bei dauerbeheizter Messspitze des Sensorelements dient diese gleichzeitig als Reinigungsbarriere gegenüber Feuchte und Partikel (Pyrolyse) für den beginnenden Luftkanal im Substrat. Die Druckmesseinrichtung kann derart angeordnet sein, dass die Luftdruckmessung in einer Abgasumgebung, als auch im kühlen, sauberen Kontaktbereich einer Referenzumgebung erfolgt. Zur Kontaktierung der Druckmesseinrichtung können Teile der Elektroden, die für die Sauerstoffmessung verwendet werden, benutzt werden.
Der Aufbau des Sensorelements kann gemäß der Standard Multilayer Keramik Technologie erfolgen. Ein Abgleich der Druckmesszelle kann durch Schleifen der Waferobertlächen des Schichtstapels erfolgen. Zur Toleranzeinengung kann der Bereich des
Schichtstapels, in dem ein Hohlraum (Cavity) -Bereich der Druckmesseinrichtung angeordnet ist, geschliffen und poliert werden .
Weitere Ausführungsformen des Sensorelements sind den Unteransprüchen zu entnehmen . Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform einer Breitbandsonde zum Er mittein eines Sauer Stoffgehalts eines Gases,
Figur 2A eine perspektivsche Ansicht eines planaren Elements und einer Erwärmungseinrichtung einer Breitbandsonde,
Figur 2B einen Querschnitt durch eine Erwärmungseinrichtung einer Breitbandsonde,
Figur 2C einen Querschnitt durch ein planares Element einer
Breitbandsonde ,
Figur 3 eine Ausführungsform eines Sensorelements in einer planaren Bauform,
Figur 4 eine Ausführungsform eines Sensorelements mit einer
Luftdruckmessung,
Figur 5A eine Ausführungsform einer Druckmesseinrichtung eines
Sensorelements mit einer Luftdruckmessung,
Figur 5B eine Ausführungsform einer Druckmesseinrichtung eines
Sensorelements mit einer Luftdruckmessung,
Figur 6A eine Ausführungsform einer Druckmesseinrichtung eines
Sensorelements mit einer Luftdruckmessung,
Figur 6B eine Ausführungsform einer Druckmesseinrichtung eines
Sensorelements mit einer Luftdruckmessung, Figur 7 eine weitere Ausführungsform eines Sensorelements mit einer Luftdruckmessung, Figur 8 eine weitere Ausführungsform eines Sensorelements mit einer Luftdruckmessung.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Sensorelements zur Messung eines SauerStoffgehalts in einer Umgebung des Sensorelements, das als eine Breitbandsonde ausgeführt ist. Die Breitbandsonde umfasst eine Messsensoreinrichtung 20 und eine Erwärmungseinrichtung 60. Die Messsensoreinrichtung 20 weist poröse Diffusionspassagen 21, 22 und eine Detektionskammer 23 auf. Die Diffusionspassagen und die Detektionskammer können in einem Substrat aus Zirkoniumoxid (ZrC>2) angeordnet sein. Die
Erwärmungseinrichtung 60 kann als ein keramisches Heizelement ausgeführt sein, das in einem Substrat aus Aluminiumoxid (AI2O3) enthalten ist .
Figur 2A zeigt eine perspektivische Ansicht des Sensorelements mit der Messsensoreinrichtung 20 zur Messung eines Sauerstoffgehalts und der Erwärmungseinrichtung 60, die in einer Stapelanordnung übereinander angeordnet sind. Figur 2B zeigt eine Querschnittsansicht im Bereich A-A' des Sensorelements durch die Erwärmungseinrichtung 60 und Figur 2C zeigt eine Querschnittsansicht im Bereich A-A' des Sensorelements durch die Messsensoreinrichtung 20. Die Messsensoreinrichtung 20 ist zur Messung eines SauerStoffgehalts in der Umgebung des Sensor- elements geeignet ausgeführt und umfasst eine Sensorzelle 23 und eine Pumpzelle 24, die in einem Schichtstapel übereinander angeordnet sind. Eine Auswerteschaltung 100 erzeugt zwischen Elektrodenanschlüssen AI und A2 einen Pumpstrom lp, der die Messgröße für den Lambda-Wert in der Umgebung der Sauer- stoff-Messsensoreinrichtung ist.
Zur Messung des SauerStoffgehalts der Umgebung des Sensorelements gelangt das Gas der Umgebung über die porösen Diffusionspassagen 21, 22 in die Messkammer 23, wo der Sauer- stoffgehalt mit Hilfe von Messelektroden festgestellt und mit einem Sollwert verglichen wird. Als Resultat dieser Vergleichsmessung wird dann der Pumpstrom lp aktiviert, der die Sauerstoffkonzentration in der Detektionskammer 22 auf einen Sollwert einregelt. Über einen Sensorpumpstrom lcp kann der so gemessene Lambda-Wert zur Auswertung an ein Steuergerät weitergeleitet werden. Der Pumpstrom ist proportional zum Rest- sauerstoffgehalt in der Umgebung des Sensorelements.
Die Figuren 3, 4, 7 und 8 zeigen jeweils eine Ausführungsform eines Sensorelements in einer planaren Bauform, das zur Messung eines Sauerstoffgehalts in einer Umgebung des Sensorelements geeignet ist. Das Sensorelement kann insbesondere als ein
Lambda-Sensor ausgebildet sein. Das Sensorelement weist einen Schichtstapel 10 aus mehreren übereinander angeordneten Schichten 11, 12 und 13 auf. Der Schichtstapel 10 kann aus keramischen Materialien aufgebaut sein. Die Schicht 11 ist bei hoher Temperatur von beispielsweise mehr als 650°C für Sauerstoffionen leitend ausgebildet kann dazu beispielsweise Zirkoniumoxid enthalten. In der Schicht 11 ist auf einer Seite Sl des Sensorelements 1 die Messsensoreinrichtung 20, die gemäß der in Figur 2C gezeigten Form die Sensorzelle, die Messkammer und die Pumpzelle aufweisen kann, angeordnet.
Die Schicht 12 kann als eine Isolationsschicht ausgebildet sein und ein Material aus Aluminiumoxid (AI2O3) aufweisen. In der
Schicht 12 kann nahe der Seite Sl des Sensorelements unter der Messsensoreinrichtung 20 die Erwärmungseinrichtung 60 enthalten sein. Die Erwärmungseinrichtung 60 ist dazu ausgebildet, einen Diffusionsbereich um die Messsensoreinrichtung 20 herum zu erwärmen. In der zwischen den Schichten 11 und 12 angeordneten Schicht 13 ist ein Kanal 50 angeordnet. Die Schicht 13 kann ebenfalls eine Isolationsschicht sein, die ein Material aus
Aluminiumoxid enthält. Ein Ende E50a des Kanals 50 mündet in eine Umgebung des Sensorelements. Ein anderes Ende E50b des Kanals 50 endet in der Schicht 13 zwischen der Messsensoreinrichtung 20 und der Erwärmungseinrichtung 60. Der Kanal 50 endet in einem Abschnitt der Schicht 13 unter der Messsensoreinrichtung 20 und über der Erwärmungseinrichtung 60. Der Kanal 50 ist als Re- ferenzluftkanal ausgebildet, durch den die sauerstoffhaltige Referenzluft aus der Umgebung des Sensorelements zu dem Diffusionsbereich mit der Messsensoreinrichtung 20 gelangt. Zur Kontaktierung der Messsensoreinrichtung 20 sind Elektrodenanschlüsse El auf der Schicht 11 vorgesehen. Elektrodenan- Schlüsse E2 auf der Schicht 12 dienen zur elektrischen Kontaktierung des Heizelements 60.
Das Sensorelement kann zum Ermitteln eines Sauer Stoffgehalts in einem Messgas in der Umgebung des Sensorelements verwendet werden. Dazu wird ein Abschnitt A des Sensorelements in die
Messumgebung eingebracht. Die Messumgebung kann beispielsweise ein Abgasstrom sein. Ein Abschnitt B des Sensorelements wird in der Umgebung der Referenzluft angeordnet. Mit dem Sensorelement 1 der Figur 3 kann ein SauerStoffwert in der Messumgebung um die Messsensoreinrichtung 20 herum ermittelt werden. Der ermittelte Sauer Stoffwert ist abhängig vom Par- tialdruck im Gasvolumen der Messumgebung. Um auf den realen Sauerstoffgehalt im Messgas in der Umgebung der Messsensor- einrichtung zu schließen, müssen auch die Partialdrücke vom Messgas auf der Seite Sl des Sensorelements links der strichlierten Linie und von der Referenzluft in der Referenzumgebung auf der Seite S2 des Sensorelements rechts der strichlierten Linie gemessen werden. Die strichlierte Linie trennt anschaulich die Messumgebung von der Umgebung der Referenzluft .
In einer ersten Näherung wird der Partialdruck der Referenzluft als konstant angenommen, falls Umgebungsdruck vorausgesetzt wird. Bei der in den Figuren 4 und 7 gezeigten Ausführungsform 2 und 3 eines Sensorelements zur Messung eines Sauerstoffgehalts der Umgebung des Sensorelements ist eine Druckmesseinrichtung 30 in mindestens einer der Schichten des Schichtstapels 10 enthalten. Bei der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform 4 des Sensorelements ist ein Kanal 40 zum Ankoppeln einer Druck- mes seinrichtung 30 an eine Umgebung des Sensorelements in einer der Schichten des Schichtstapels enthalten. Die Druckmess- einrichtung 30 ist zur Messung des Luftdrucks in der Umgebung des Sensorelements ausgebildet.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform 2 des Sen- sorelements ist die Druckmesseinrichtung 30 zur Messung des Umgebungsdrucks des Sensorelements in der Schicht 12 enthalten. Die Druckmesseinrichtung 30 ist dabei näher an der Messsensoreinrichtung 20 als an dem Ende E50a des Referenzluftkanals 50 angeordnet. Des Weiteren ist die Druckmesseinrichtung 30 näher an der Erwärmungseinrichtung 60 als an dem Ende E50a des Re- ferenzluftkanals angeordnet. Die Druckmesseinrichtung 30 kann sich somit noch im beheizten Bereich des Sensorelements befinden.
Die Figuren 5A, 5B, 6A und 6B zeigen Ausführungsformen der Druckmesseinrichtung 30. Die Druckmesseinrichtung 30 ist als ein kapazitiver Drucksensor mit einer Elektrode 31, einer Elektrode 32, einem Hohlraum 33 und einer Membran 34 ausgebildet. Die Elektroden 31 und 32 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 33 angeordnet. Der Hohlraum 33 ist in der Schicht 12 ausgebildet. Die Elektrode 31 ist auf einer Oberfläche 013 der Schicht 13 unter dem Kanal 50 angeordnet. Die Elektrode 32 ist bei den in den Figuren 5A und 6A gezeigten Ausführungsformen der Druckmesseinrichtung auf dem Boden und optional den Seitenwänden des Hohlraums 33 angeordnet. Wie in den Figuren 5B und 6B gezeigt ist, kann die Elektrode 32 auf einer der Schicht 13 abgewandten Oberfläche 012 der Schicht 12 angeordnet sein. Die Elektrode 31 ist auf der der Schicht 12 zugewandten Oberfläche 013 der Schicht 13 angeordnet . Bei den in den Figuren 5A und 5B gezeigten Ausführungsformen ist die Druckmesseinrichtung 30 als Absolut-Druckmes seinrichtung ausgebildet. Im Unterschied dazu ist bei den in den Figuren 6A und 6B gezeigten Ausführungsformen die Druckmesseinrichtung als Relativ-Druckmesseinrichtung ausgeführt. Der Referenzluftkanal 50 zur Zuführung der Referenzluft mündet bei den in den Figuren 6A und 6B gezeigten Ausführungsformen an einem Ende E50b des Kanals in den Hohlraum 33. Wie in Figur 6A beispielhaft dar- gestellt kann der Kanal 50 in der Schicht 13 angeordnet sein und von dort in den Hohlraum 33 münden oder als eine weitere Ausführungsform, die in Figur 6A strichliert dargestellt ist, kann der Kanal 50 in der Schicht 12 verlaufen und von dort in den Hohlraum 33 einmünden.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform 3 des Sensorelements, bei der die Druckmesseinrichtung 30 in der Schicht 12 näher an dem Ende E50a des Referenzluftkanals 50 als an der Erwärmungseinrichtung 60 beziehungsweise der Messsensoreinrichtung 20 angeordnet ist. Zur Ankopplung der Druckmesseinrichtung 30 an die Messumgebung auf der Seite Sl des Sensorelements 3 ist in der Isolationsschicht 12 ein Kanal 40 vorgesehen. Der Kanal 40 mündet an einem Ende E40a auf der Seite Sl des Sensorelements in die Umgebung des Sen- sorelements, in der das Messgas enthalten ist. Ein anderes Ende E40b des Referenzkanals 40 für die Druckmessung endet in der Schicht 12 und mündet in den Hohlraum 33 der Druckmesseinrichtung 30. Das Ende E40a kann als eine freie Öffnung oder als eine offenporige, gasdurchlässige Schicht, beispielsweise aus einer Keramik, ausgebildet sein.
Bei den Ausführungsformen 2 und 3 des Sensorelements ist der Druckmes s-Hohlraum 33 der Druckmesseinrichtung 30 in der Multilayer-Struktur 10 umgesetzt. Bei der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform 4 des Sensorelements ist lediglich der Kanal 40 zum Ankoppeln der Druckmesseinrichtung 30 an die Umgebung des Sensorelements in dem Schichtstapel 10 enthalten. Der Druckkanal 40 kann in der Schicht 12 enthalten sein. Er mündet mit einem Ende E40a an der Seite Sl des Sensorelements in die Messumgebung und an einem Ende E40b an der Seite S2 des Sensorelements, an der die Elektrodenanschlüsse El, E2 auf verschiedenen Seiten des Schichtstapels 10 angeordnet sind, in eine Umgebung der Referenzluft des Sensorelements. Die Druckmesseinrichtung 30 ist an dem Ende E40b an den Druckkanal 40 angeschlossen oder ein weiteres Druckübertragungsstück, beispielsweise ein Schlauch, ist zwischen das Ende E40b und die Druckmesseinrichtung 30 zwischengeschaltet . Bei den in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen des Sensorelements übernimmt das Multilayer die Druckleitung des Messmediums. Bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform des Sensorelements 3, bei der die Druckmesseinrichtung 30 und der Druckkanal 40 im Schichtstapel angeordnet sind, kann die
Druckmessung im sauberen, kalten Kontaktbereich entfernt von der Erwärmungseinrichtung 60 und der Messumgebung erfolgen. An dem Ende E40a des Druckkanals 40 tritt die Luft gereinigt in den Kanal 40 ein. Die dauerbeheizte Messspitze des Sensorelements dient als Reinigungsbarriere gegenüber Feuchte und Partikel (Pyrolyse) für den beginnenden Luftkanal im Substrat. Da die Druckmesseinrichtung 30 nahe an den Elektrodenanschlüssen El, E2 angeordnet ist, ergeben sich kurze Signalwege bis zu einer angeschlossenen Auswerteelektronik .
Bei den gezeigten Ausführungsformen des Sensorelements ist grundsätzlich immer eine Kombination der Sensor-Prinzipien möglich. Wenn die Messsensoreinrichtung beispielsweise zum Partikelmessen ausgebildet ist, kann als Elektrode der
Druckmesseinrichtung beispielsweise die Interdigitalelektro- denstruktur zum Messen der Partikel verwendet werden. Der gezeigte Aufbau kann auch für Sensorelemente mit Messsensoreinrichtungen, die für andere Anwendungen, beispielsweise zum Detektieren von Gasen oder dem Ermitteln einer Feuchte, bestimmt sind, verwendet werden.

Claims

Sensorelement mit Luftdruckmessung, umfassend:
- einen Schichtstapel (10) aus mehreren übereinander angeordneten Schichten (11, 12, 13),
- wobei in mindestens einer ersten der Schichten (11) eine Messsensoreinrichtung (20) zur Messung einer von einem Umgebungsdruck; des Sensors verschiedenen Messgröße enthalten ist,
- wobei in der ersten oder mindestens einer zweiten der Schichten (12) eine Druckmesseinrichtung (30) zur Messung des Luftdrucks in einer Umgebung auf einer Seite (Sl) des Sensorelements oder ein Kanal (40) zum Ankoppeln einer Druckmesseinrichtung (30) an eine Umgebung auf einer Seite (Sl) des Sensorelements enthalten ist,
- wobei das Sensorelement eine Erwärmungseinrichtung (60) zum Erwärmen eines Bereichs des Sensorelements um die Messsensoreinrichtung (20) aufweist und die Messsensoreinrichtung (20) und die Erwärmungseinrichtung (60) in dem Schichtstapel (10) übereinander angeordnet sind.
Sensorelement nach Anspruch 1,
- wobei in der ersten, zweiten oder einer dritten der Schichten (13) des Schichtstapels ein weiterer Kanal (50) enthalten ist,
- wobei ein Ende (E50a) des weiteren Kanals (50) auf einer anderen Seite (S2) des Sensorelements in die Umgebung des Sensorelements mündet.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Druckmesseinrichtung (30) näher an der Messsensoreinrichtung (20) oder der Erwärmungseinrichtung (60) als an dem Ende (E50a) des weiteren Kanals (50) angeordnet ist. 4. Sensorelement nach Anspruch 2, wobei die Druckmesseinrichtung (30) näher an dem Ende (E50a) des weiteren Kanals (50) als an der Erwärmungseinrichtung (60) angeordnet ist. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Ende (E40a) des Kanals (40) an der Seite (Sl) des Sensors in die Umgebung des Sensorelements mündet und ein anderes Ende (E40b) des Kanals (40) an die Druckmesseinrichtung (30) gekoppelt ist.
Sensorelement nach Anspruch 5, wobei das andere Ende (E40b) des Kanals (40) in der zweiten Schicht (12) des
Schichtstapels endet.
Sensorelement nach Anspruch 5, wobei das andere Ende (E40b) des Kanals (40) an der anderen Seite (S2) in die Umgebung des Sensorelements mündet.
Sensorelement nach Anspruch 7, wobei das Ende (E40a) und das andere Ende (E40b) des Kanals (40) als freie Öffnungen oder als nicht freie Öffnungen sondern als eine offenporige, gasdurchlässige Schicht ausgebildet sind.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Ende (E40a) des Kanals (40) durch die Erwärmungseinrichtung (60) beheizt wird.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei die Druckmesseinrichtung (30) als ein kapazitiver Drucksensor mit einer ersten Elektrode (31), einer zweiten Elektrode (32), einem Hohlraum (33) und einer Membran (34) ausgebildet ist,
- wobei die erste und zweite Elektrode (31, 32) auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums (33) angeordnet sind,
- wobei die Membran (34) in einer der Schichten (12), in der der Hohlraum (33) angeordnet ist, auf der dem Hohlraum (33) abgewandten Seite der zweiten Elektrode (32) angeordnet ist.
Sensorelement nach Anspruch 10, wobei ein anderes Ende (E50b) des weiteren Kanals (50) in den Hohlraum (33) mündet. Sensorelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
- wobei der Schichtstapel (10) zwischen der ersten und zweiten Schicht (11, 12) die dritte Schicht (13) aufweist,
- wobei die erste Elektrode (31) auf einer der zweiten Schicht (12) zugewandten Oberfläche (013) der dritten Schicht (13) angeordnet ist,
- wobei die zweite Elektrode (32) auf einer der dritten Schicht (13) abgewandten Oberfläche (012) der zweiten Schicht (12) angeordnet ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
- wobei die Messsensoreinrichtung (20) zum Anlegen oder Abgreifen einer Spannung Elektrodenanschlüsse (El) aufweist,
- wobei die erste und zweite Elektrode (31, 32) der
Druckmesseinrichtung (30) jeweils mit einer der
Elek-trodenanschlüsse (El) der Messsensoreinrichtung (20) verbunden ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Messsensoreinrichtung (20) als ein SauerStoffsensor oder ein Sensor zur Partikelmessung oder ein Sensor zur Gasmessung oder ein Sensor zum Ermitteln eines pH-Wertes ausgebildet ist.
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