WO2016102213A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines gassensors zum analysieren eines abgases einer verbrennungskraftmaschine und gassensor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines gassensors zum analysieren eines abgases einer verbrennungskraftmaschine und gassensor Download PDF

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WO2016102213A1
WO2016102213A1 PCT/EP2015/079444 EP2015079444W WO2016102213A1 WO 2016102213 A1 WO2016102213 A1 WO 2016102213A1 EP 2015079444 W EP2015079444 W EP 2015079444W WO 2016102213 A1 WO2016102213 A1 WO 2016102213A1
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WO
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gas
electrode
gas sensor
chamber
measuring electrode
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Application number
PCT/EP2015/079444
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Inventor
Philipp NOLTE
Daniel Pantel
Robert Roelver
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
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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 present invention relates to a method for operating a gas sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine, to a corresponding device, to a corresponding computer program and to a gas sensor.
  • a lambda probe for measuring an oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine can be realized, for example, in thick-film technology as a rod sensor made of ceramic.
  • a gas sensor for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine wherein the gas sensor has a bottom element with a bottom recess and an electrode layer with a reference electrode and a measuring electrode, wherein the electrode layer covers the bottom recess to a
  • Reference chamber for receiving a reference gas to form, wherein the reference electrode with the reference gas and the measuring electrode is acted upon with the exhaust gas, the method comprising the steps of:
  • Reducing a partial pressure of the reference gas in the reference chamber by at least an order of magnitude by applying a first voltage between the reference electrode and the measuring electrode to establish an initial state for filling the reference chamber with a predetermined reference gas amount;
  • An exhaust gas may be used in a combustion process in the
  • Heat engine such as an internal combustion engine or a
  • the floor element can be any material.
  • a bottom recess may be understood to mean a recess or a through opening in the floor element.
  • the electrode layer may be a layer composite of the
  • the electrode layer additionally arranged at least in the region of the bottom recess between the reference electrode and the measuring electrode
  • Electrolytes in particular a solid electrolyte, have.
  • Measuring electrode can at least partially with an outside environment of
  • the reference electrode may be arranged opposite the bottom element at least in the region of the bottom recess in order to be acted on by the reference gas.
  • a reference gas can be a gas or
  • Gas mixture can be understood that in a certain concentration in the Reference chamber can be kept and can serve as a reference for determining a concentration of a gas or gas mixture in the exhaust gas.
  • the reference gas can be introduced into the reference chamber or produced electrochemically by means of the electrode layer.
  • the electrode layer can be operated by applying a corresponding voltage as an electrochemical pump.
  • a corresponding voltage as an electrochemical pump.
  • the first voltage can be applied to
  • Reference gases in the reference chamber to reduce, for example, one, five or ten orders of magnitude. Accordingly, the second voltage may be applied to reverse a pumping direction generated in the step of reducing, so that reference gas from the outside environment over the
  • Electrode layer diffused into the reference chamber The second voltage can be applied until a predetermined reference gas quantity in the
  • Reference chamber has flowed.
  • the reference gas quantity may be, for example, as the amount of charge Q as a function of a volume of the reference chamber and a reference partial pressure to be reached of the reference gas in the
  • Reference chamber be predetermined.
  • the approach proposed here is based on the knowledge that it is possible to fill a gas storage for storing a reference gas in a gas sensor independently of a current reference gas concentration in the gas storage with a defined amount of reference gas by a
  • Concentration of the reference gas in the gas storage is reduced electrochemically before filling.
  • a reference volume also called reference memory or chamber, can be filled once with a reference such as oxygen, such as when closing the volume during manufacture.
  • Leakage of a reference reservoir cavity in the sensor can go back so that oxygen can escape with the smallest leakage rates or enter oxygen-consuming grease gas components.
  • the smallest current flows and thus the transport of oxygen through the electrolyte can occur.
  • closed reference gas storage can be filled with reference gas reproducible to ensure a consistent, sufficient filling of the memory.
  • the method allows a correct filling of the memory, without a partial pressure of the reference gas in the memory or in a sample gas must be known.
  • the electrode layer can be used as an electrochemical pump.
  • the electrodes of the electrode layer are not running, but only occasionally switched to pumping operation, the electrodes are less stressed, creating a particularly high
  • the filling step can be carried out in a current-controlled manner. For example, in the step of reducing, on application of the first voltage between the reference electrode and the
  • Measuring electrode flowing current to be detected The output state can be established when the current corresponds to a predetermined current threshold or lies within a predetermined current interval.
  • a current flowing when the second voltage is applied between the reference electrode and the measuring electrode may be the controlling parameter and the reference gas may be the controlled parameter.
  • the step of filling a current waveform of between the reference electrode and the measuring electrode flowing current are detected to determine an amount flowing into the reference chamber charge amount.
  • the second voltage may be interrupted at least temporarily if the amount of charge flowing into the reference chamber is associated with one of the reference gas quantities
  • the reference gas can be pumped controlled from the reference chamber or in the reference chamber with little effort
  • the step of reducing the first voltage is applied over a predetermined period of time to establish the initial state.
  • the time span can be determined experimentally once.
  • a time-controlled reduction of the partial pressure has the advantage that it is possible to dispense with an additional current measurement for determining a reference gas quantity pumped from the reference chamber.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces may be part of a so-called system ASIC, which includes various functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the gas sensor comprising: a bottom member having a bottom recess; and an electrode layer having a reference electrode and a measuring electrode, the electrode layer covering the bottom recess to form a reference chamber for receiving a reference gas, the reference electrode being supplied with the reference gas and the measuring electrode being exposed to the exhaust gas.
  • gas sensor which also has a device according to an embodiment described here.
  • the gas sensor can be, for example, a microstructured oxygen sensor with self-generated reference gas, which in
  • Thin-film technology can be produced as an electrochemical chip.
  • the gas sensor may have a thin membrane as the electrode layer, which may be mechanically stabilized such that it has pressure differences between exhaust gas and
  • Reference gas, pressure pulses and vibrations withstands.
  • the gas sensor may be a microstructured carrier
  • the bottom element in which the measuring electrode, a thin electrolyte film and the reference electrode are arranged. Below the measuring electrode, the bottom recess may be arranged, which serves as a cavity for storing the Reference gas and depending on the embodiment can additionally serve as an overpressure throttle.
  • the gas sensor may be configured to continuously generate the reference gas, such as oxygen, by means of the electrode layer in the reference chamber. This allows an ongoing evaluation of a voltage applied to the electrode layer voltage, which in turn represents a measure of an oxygen content to be measured in the exhaust gas. For regeneration of the oxygen storage can
  • a filling of the oxygen storage reservoir is below the
  • Reference electrode provided with a low-porous material
  • the material in conjunction with an electrochemical pumping operation of the gas sensor in which oxygen is pumped between the reference chamber and the external environment of the gas sensor, creates an oxygen reservoir in the reference chamber.
  • the escape of oxygen over the sections ensures that no critical overpressure forms.
  • the gas sensor can be completely placed in the sample gas.
  • the electrode layer may comprise an electrolyte.
  • the reference electrode, the measuring electrode and the electrolyte can be arranged opposite one another at least in the region of the bottom recess.
  • the electrolyte can be arranged between the reference electrode and the measuring electrode and the
  • the electrode layer can be realized for example as a layer composite of the reference electrode, the measuring electrode and the electrolyte. This allows the
  • Electrode layer are carried out sufficiently stable at low cost of materials. At the same time a space requirement of the gas sensor can be reduced.
  • the reference chamber may be at least partially filled with an absorbent or storage material for absorbing and / or storing the reference gas.
  • the absorption or storage material may be, for example, a weakly porous metal oxide.
  • Absorbent or storage material may be a reference gas loss in the
  • Reference chamber as it may occur in leaking the reference chamber, are reduced.
  • the gas sensor may be provided with a lid member which may be disposed on a side of the bottom member opposite to the electrode sheet to cover the bottom recess.
  • at least one partial section of the reference electrode can be arranged between the cover element and the bottom element. In this case, a first end of the subsection having an external environment of the gas sensor and a second end of the subsection having contact with the reference chamber.
  • Cover element may be analogous to the bottom element to a layer of a refractory material, such as a semiconductor material act.
  • Cover element may be about serving as a support for the bottom element chip carrier.
  • the subsection enables gas exchange between the reference chamber and the outside environment. This can prevent that an overpressure forms in the reference chamber.
  • the reference electrode may be formed to additionally or alternatively at least a portion of a through the
  • the gas sensor may further comprise a reference electrode contact, which may be formed to electrically conductively connect the subsection to a side of the floor element opposite the subsection.
  • the reference electrode contact may be metallic
  • the side opposite the partial section may be a side of the floor element having the electrode layer.
  • the reference electrode contact the reference electrode and the Measuring electrode are each contacted by the same side of the bottom element electrically.
  • the gas sensor has a measuring electrode contact, which is designed to electrically conductively connect the measuring electrode to a side of the bottom element that is opposite the measuring electrode.
  • Analogous to the reference electrode contact may be in the
  • Measuring electrode contact to act on a metallic contact may be, for example, a side of the floor element having the partial section.
  • the partial section of the reference electrode and the measuring electrode can each be contacted electrically from the same side of the floor element.
  • the bottom element may have at least one channel, which the
  • Reference chamber fluidly coupled to an external environment of the gas sensor. Also by this embodiment can with little
  • Manufacturing effort can be prevented that builds up in the reference chamber overpressure.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • Fig. 1 is a schematic representation of a gas sensor according to a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 3a, 3b are schematic representations of a gas sensor according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a gas sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 5a, 5b are schematic representations of a gas sensor according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method of operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart of a method for switching between a measuring operation and a pumping operation of a gas sensor in accordance with FIG.
  • 9 is a flowchart of a method for determining a
  • FIG. 10 is a block diagram of an apparatus for operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor 100 for analyzing an exhaust gas of an internal combustion engine comprises a bottom element 102 having a bottom recess 104, which is designed here as a through opening in the bottom element 102.
  • the bottom recess 104 is covered on the one hand by an electrode layer 106, on the other hand by a chip carrier as the cover element 108, so that a cavity results which serves as a reference chamber 110 for receiving a reference gas.
  • the electrode layer 106 is realized as a layer composite consisting of a measuring electrode 112, a reference electrode 114 and an electrolyte 116 arranged between the electrodes 112, 114.
  • the reference electrode 114 is the bottom element 102 in the region of the bottom recess 104
  • the measuring electrode 112 forms one of
  • Reference electrode 114 opposite the outside of the electrode layer 106 and thus has contact with an external environment containing the exhaust gas sensor 100.
  • the two electrodes 114, 112 and the electrolyte 116 are arranged opposite to each other, d. That is, the two electrodes 114, 112 in the region of the bottom recess 104 at least partially contact the electrolyte 116 arranged between them.
  • the measuring electrode 112 and the electrolyte 116 in FIG. 1 are arranged substantially plane-parallel to one another over an entire width of the bottom element 102 ,
  • the reference electrode 114 is formed with two partial sections 118 which each extend along a surface of the bottom element 102 facing away from the electrode layer 106 between the lid element 108 and the bottom element 102. Between the sections 118, the bottom recess 104 is arranged. In each case, a first end 122 of the two subsections 118 makes contact with the outside environment of the gas sensor 100 and a respective second end 124 of the two subsections 118 makes contact with the first
  • Reference chamber 110 By means of subsections 118, for example, a gas exchange between the reference chamber 110 and the outside environment allows.
  • the sections 118 may serve additionally or alternatively to the electrical contacting of the reference electrode 114.
  • the second ends 124 are each electrically conductively connected via a connecting section 126 of the reference electrode 114 to an electrolyte section 128 of the reference electrode 114 running adjacent to the electrolyte 106.
  • the two connecting sections 126 each extend along a wall inner surface formed by the bottom element 102
  • Reference chamber 110 so that they cover the wall inner surface at least partially.
  • the sections 118 may each be replaced by a protective layer, such as a
  • Insulation layer for electrical insulation be isolated from the bottom element 102.
  • a portion of the electrolyte 116 resting on the bottom member 102 may be isolated from the bottom member 102 by such a protective layer.
  • the reference chamber 110 is filled with an optional absorption or storage material 130, which is used to absorb or store the
  • the bottom recess 104 has a tapering cross section in the direction of the electrode layer 106.
  • the gas sensor 100 is designed as an oxygen sensor with a closed reference gas volume.
  • a structure and an operation of such a gas sensor 100 will be described
  • a cavity 110 receiving the reference gas volume in the gas sensor 100 is realized, for example, on the basis of thin-layer electrolytes.
  • the gas sensor 100 is suitable as, for example
  • the gas sensor 100 is designed with an electrochemical pumping cell comprising the measuring electrode 112, an oxygen ion conductor as the electrolyte 116, which is produced in particular by means of thin-film technology, and the
  • Reference electrode 114 includes. Around the reference electrode 114 is the cavity 110, which is gas-tight and closed by a measuring gas, such as
  • the operation of the gas sensor 100 is based on an occasionally defined filling of the reference cavity 110.
  • the operation of the gas sensor 100 is based on an occasionally defined filling of the reference cavity 110.
  • Reference chamber 110 can be produced, which is used as a reference for a
  • Oxygen measurement is used. First, a voltage-guided emptying of the reference chamber 100 is performed. In this case, a voltage is applied between measuring electrode 112 and reference electrode 114, in which oxygen is pumped out of cavity 110 onto the side of the measuring gas. Subsequently, a current-guided filling is performed. After emptying, a direction of electrochemical pumping is reversed. The
  • Reference chamber 110 is filled via a current profile I (t) such that an integrated charge corresponds to a predetermined, equivalent amount of oxygen.
  • I (t) a current profile
  • corrections of leakage currents can be inserted in the integral.
  • measuring electrode 112 and reference electrode 114 After filling, the voltage between measuring electrode 112 and reference electrode 114 is used according to the known principle of a Nernst sensor for determining an oxygen concentration in the measuring gas.
  • Reference electrode 114 is designed to be an electrochemical
  • Removal reaction of oxygen from the electrolyte 116 allows, but even has an extremely low porosity. Thus, it can be dispensed with a cover with foreign material for the storage of oxygen.
  • an additional protective layer is deposited on the measuring electrode 112 made, for example, of platinum.
  • a reference pumping current through the electrode layer 106 and diffusion currents from between the reference chamber 110 and the outside environment through the partial sections 118 of diffusing oxygen or exhaust gas are each marked with arrows.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor 100 corresponds to the gas sensor described with reference to FIG. 1, with the difference that the bottom element 102 by way of example has two channels 200, which the
  • Reference chamber 110 each fluidly connect to the outside of the gas sensor 100.
  • the channels 200 each extend along one of the two sections 118, 120 of the reference electrode 114.
  • the desired effect of allowing oxygen to escape restrictedly is achieved by pre-structured air outlet channels 200.
  • an underside of the cavity 110 is formed either by the chip carrier 108 or by an additional closure lid not shown in FIG. 2.
  • the recess 104 is closed by its own cover or a holder serving for fastening the gas sensor 100, here the chip carrier 108. This results in the reference chamber 110 acting as a memory.
  • the additional outlet channels 200 are inserted into the chip, for example, by microstructuring. Through the outlet channels 200, the chip can be realized with a positive pressure throttle function.
  • Electrodes 112, 114 via a passage through the carrier chip, ie, the bottom member 102, on a respective opposite side with a Contact pad be linked, as explained in more detail below with reference to Figures 3a and 3b.
  • FIGS. 3a and 3b show schematic representations of a gas sensor 100 according to various embodiments of the present invention.
  • the gas sensor 100 is, for example, a gas sensor described with reference to FIGS. 1 and 2. In contrast to FIGS. 1 and 2, the gas sensor 100 is shown here without the cover element.
  • the gas sensor 100 has a reference electrode contact 300, in this case a through contact, which has one of the two subsections 118 of FIGS
  • Reference electrode 114 electrically conductive with an opposite side of the subsection 118 of the bottom member 102, on which also the
  • Measuring electrode 112 is arranged, electrically conductively connects.
  • a free end 302 of the reference electrode contact 300 protrudes from the bottom element 102 next to the electrode layer 106.
  • the free end 302 may be formed, for example, as a contact pad.
  • the gas sensor 100 has a measuring electrode contact 304 in the form of a through contact, which electrically conductively connects the measuring electrode 112 to a side of the bottom element 102 opposite the measuring electrode 112.
  • a free end 306 of the measuring electrode contact 304 formed as a contact pad protrudes from the bottom element 102 at a location at which the section 118 which can be contacted via the reference electrode contact 300 is arranged in FIG.
  • the electrodes 112, 114 are on
  • the contact pads are on the same side. It can therefore be a carrying 300 of
  • Reference electrode 114 may be installed on an upper side of the chip 100, as shown in Fig. 3a, or vice versa, a passage 304 of the measuring electrode 112 to a bottom of the chip 100, as shown in Fig. 3b. 4 shows a schematic representation of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor 100 essentially corresponds to the gas sensor shown in FIG. 1, with the difference that the gas sensor 100 has no cover element.
  • Reference electrode 114 and the electrolyte 106 overlap is marked with a circle. Furthermore, regions of the reference electrode 114 are marked, which may be recessed at least partially. These areas can
  • the bottom element 102 may be a
  • the metallization takes place, for example, without structuring.
  • the metallization may be partially recessed in the marked areas. Important is the above-mentioned as electrolyte section 128 contact surface between
  • Reference electrode 114 and electrolyte 116 and the electrical contact are reference electrode 114 and electrolyte 116 and the electrical contact.
  • the electrode surfaces are embodied over the entire surface and project beyond a region of the electrolyte 116.
  • the electrodes 112, 114 and the electrolyte region can also be structured and partially recessed. This is the example of
  • the measuring electrode 112 may be covered with a highly porous covering layer and, additionally or alternatively, comprise catalytic material or getter material. As a result, a functional impairment of the measuring electrode 112 is prevented by deposits from the measuring gas.
  • the chip may also be mounted on the chip carrier 108 such that the measuring electrode 112 faces the chip carrier 108.
  • Measuring electrode 112 and chip carrier 108 for example, a gap
  • the gas sensor 100 is implemented with a heater.
  • Electrolytes 116 relatively short. For temperature control, therefore, a heater can be used whose electrical resistance strong
  • a carrier material for example, a semiconductor may be used, which may be particularly advantageous in the realization of the structured air outlet channels.
  • the heater can be located on a suitable carrier material
  • This doping region should be arranged as close as possible to the electrolyte 116, around a
  • FIGS. 5a and 5b show schematic representations of a gas sensor 100 according to various exemplary embodiments of the present invention
  • FIGS. 5a and 5b show possible embodiments of the gas sensor 100 with a closed cavity functioning as a reference chamber 110.
  • the gas sensor 100 only has a partial section 118 extending along the cover element 108, which serves, for example, as an electrode feed line.
  • An electrical contact for contacting the reference electrode 114 may, for example, be led laterally out of the bottom element 102, as shown in FIG. 5a.
  • the electrical contact by means of a via on a the
  • Cover element 108 may be guided opposite the upper side of the gas sensor 100, as shown in Fig. 5b.
  • Reference electrode contact 300 lies on a surface of the electrolyte 116 facing away from the bottom element 102.
  • a basic structure of the gas sensor 100 includes the sensing electrode 112, a thin-film electrolyte 116, the reference electrode 114, a sealed cavity 110, and a lead for the reference electrode 114 in the cavity 110.
  • a further plate is applied as a lid member 108.
  • the gas sensor 100 can be closed in terms of process technology by adding a further silicon wafer, which thus forms an underside of the gas sensor 100.
  • the attached wafer may be patterned to affect a gas volume of the cavity 110.
  • Cover member 108 made of the same material as an upper part in the form of the bottom member 102, such as silicon, silicon carbide or
  • the supply line of the reference electrode 114 may protrude laterally out of a layer system of the gas sensor 100, as shown by way of example in FIG. 5a.
  • the design of the layer thicknesses for feed line, chip top side and chip bottom side should be selected such that the layers are as flush as possible
  • the gas sensor 100 is realized with a through-connection of the supply line, so that there is no metal directly on the surfaces to be closed, as shown in FIG. 5b.
  • the gas sensor 100 may comprise a heating element which is electrically insulated from the two electrodes 112, 114 and the electrolyte 116 functioning as an oxygen ion conductor.
  • the heater may be, for example, as one around an outer edge of the electrolyte 116 laid heating coil be configured. Alternatively, the heater may be attached to the bottom of the gas sensor 100.
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method 600 for operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a gas sensor as described above with reference to FIGS. 1 to 5b, can be operated.
  • a partial pressure of the reference gas in the reference chamber is reduced by at least an order of magnitude by applying a first voltage between the reference electrode and the measuring electrode.
  • the electrode layer is operated as an electrochemical pump to reference gas from the
  • Measuring electrode applied.
  • a pumping direction in the electrode layer is reversed, so that now the reference gas is pumped from an external environment of the gas sensor into the reference chamber until the reference chamber is filled with the predetermined reference gas quantity.
  • a voltage applied between the measuring electrode and the reference electrode can be used to measure an oxygen concentration.
  • Reference chamber occasionally refilled.
  • the filling can
  • FIG. 7 shows a flow chart of a method 700 for switching between a measuring mode and a pumping mode of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor is located, such as one described with reference to FIG. 1 to FIG. 6 Gas sensor, in a measuring mode, in which a voltage between the
  • Step 704 it is checked whether a criterion for the new filling of the reference chamber is fulfilled.
  • the criterion may be, for example, a predetermined operating time of the gas sensor.
  • Step 704 may be performed in parallel with step 702 to allow for ongoing verification of the criterion. If it is found in step 704 that the criterion is satisfied, then in a step 706 a defined evacuation of the chamber is indicated
  • step 702 may be performed again to toggle the gas sensor from pumping to measuring mode.
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method 800 for setting a partial pressure in a reference chamber of a gas sensor in accordance with FIG
  • FIG. 8 illustrates the essential operations for setting a predetermined oxygen partial pressure in the reference chamber of the gas sensor.
  • the method 800 can be carried out, for example, within the scope of a reference chamber filling step described with reference to FIG. In a step 802, the reference chamber is emptied under voltage.
  • step 804 an abort criterion to abort the
  • step 806 the reference chamber is filled with the reference gas until a predetermined amount of charge Q is reached.
  • Oxygen level in the hollow chamber would by merely applying a voltage for filling the reference chamber, an oxygen partial pressure in the Reference chamber arise, which depends on the unknown oxygen concentration in the measuring gas. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as the mode of operation for chamber filling, the following method illustrated in FIG. 8 is proposed.
  • step 802 the reference chamber is emptied. Neither the level of the reference chamber nor the oxygen content in the sample gas is known. A voltage ⁇ ln at an equilibrium condition by the Nernst equation U Ne mst is measurable only (p 0 2 measured as g / Po2 reference gas) is established. It is sufficient if an emptying voltage U
  • Partial pressures give. However, the partial pressure in both cases represents a level on a linear scale, the de facto emptying of the
  • the reference chamber can therefore be considered de facto emptied.
  • the criterion to be checked in step 804 as to how long the voltage is present for emptying can be determined, for example, by observing a current profile.
  • a value arises which is due to a leakage of the Reference chamber caused gas leakage corresponds to the current asymptotically decays. It can be stored in the chamber evacuation a threshold for the current or a current interval, after which the emptying process can be aborted or at least temporarily interrupted. Alternatively, a fixed time interval can be specified, which can be determined once by supplementary measurements.
  • step 806 the reference chamber is filled in step 806.
  • a pumping direction is reversed and electrochemical oxygen in the
  • FIG. 9 shows a flowchart of a method 900 for determining a predetermined reference gas quantity for storage in a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the method 900 is used for the experimental determination of a charge quantity Q in the reference chamber required for the correct operation of the gas sensor.
  • a step 902 using a defined measurement gas, i. H. one
  • step 904 the reference chamber is discharged in a voltage-guided manner.
  • step 906 the reference chamber is current-filled with the reference gas, for example with oxygen.
  • step 908 a charge amount flowed in step 906 is determined. For example, in a step 910 that is continuously performed, it is checked whether the voltage threshold has been reached in step 906. If it results in step 910 that the voltage threshold value has been reached, then in a step 912 the chamber filling is aborted and a charge quantity determined in this case is stored which corresponds to the reference gas quantity required for the correct operation of the gas sensor. If, on the other hand, it results in step 910 that the voltage threshold has not been reached, then If the execution of step 912 is suppressed, step 906 is not aborted.
  • Oxygen molecules N results directly from a volume of
  • Each oxygen molecule requires four electrons.
  • the electric charge is used for filling.
  • the charge quantity Q can be determined not only mathematically, but also by an experimental calibration. This is advantageous if the volume of the reference chamber is not known exactly, for example due to specimen scattering during production.
  • One possibility is a current-controlled chamber filling with known gas at the measuring electrode.
  • the oxygen partial pressure in the gas should be about the desired
  • the expected voltage of a filled reference chamber can be calculated with the desired oxygen partial pressure compared to the known measurement gas. Will this voltage with a Ström led filling with
  • FIG. 10 shows a block diagram of an apparatus 1000 for operating a
  • the device 1000 is suitable, for example, for carrying out a method described with reference to FIG. 6.
  • the device 1000 may be part of a gas sensor, as described with reference to FIGS. 1 to 9.
  • the apparatus 1000 includes a reduction unit 1002 configured to provide a process step for reducing a partial pressure of the
  • Reference gases in the reference chamber to perform at least one order of magnitude by applying a first voltage between the reference electrode and the measuring electrode to drive or implement, so that a Initial state for filling the reference chamber is produced with a predetermined reference gas quantity.
  • the reduction unit 1002 is configured to provide a fill signal 1004 in response to establishing the initial state.
  • a filling unit 1006 of the device 1000 is designed to receive the filling signal 1004 and, using the filling signal 1004, to perform, control or implement a method step for filling the reference chamber with the predetermined reference gas quantity by applying a second voltage between the reference electrode and the measuring electrode.
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors (100) zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Der Gassensor (100) umfasst ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104) sowie eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112). Die Bodenausnehmung (104) ist durch die Elektrodenlage (106) abgedecktundbildet mit dieser eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases. Hierbei ist die Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar. Mittels des Verfahrens wird nun ein Partialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer (110) um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112)reduziert, um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer (110) mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen.Wurde der Ausgangszustand hergestellt, so wird in einem weiteren Schritt die Referenzkammer (110) durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112) mit der vorgegebenen Referenzgasmenge befüllt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine und Gassensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf einen Gassensor.
Eine Lambdasonde zur Messung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors kann beispielsweise in Dickschichttechnologie als Stäbchensensor aus Keramik realisiert sein.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein entsprechendes Computerprogramm sowie schließlich ein Gassensor gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Betreiben eines
Gassensors zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor ein Bodenelement mit einer Bodenausnehmung und eine Elektrodenlage mit einer Referenzelektrode und einer Messelektrode aufweist, wobei die Elektrodenlage die Bodenausnehmung abdeckt, um eine
Referenzkammer zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode mit dem Referenzgas und die Messelektrode mit dem Abgas beaufschlagbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Reduzieren eines Partialdrucks des Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen; und
Befüllen der Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, wenn im Schritt des Reduzierens der Ausgangszustand hergestellt wurde.
Unter einem Abgas kann ein bei einem Verbrennungsprozess in der
Verbrennungskraftmaschine anfallendes, nicht mehr nutzbares Gasgemisch verstanden werden. Unter einer Verbrennungskraftmaschine kann eine
Wärmekraftmaschine wie etwa ein Verbrennungsmotor oder eine
Strömungsmaschine verstanden werden. Das Bodenelement kann
beispielsweise als eine Lage aus einem hitzebeständigen Material, insbesondere einem Halbleitermaterial, realisiert sein. Unter einer Bodenausnehmung kann eine Vertiefung oder eine durchgehende Öffnung in dem Bodenelement verstanden werden. Die Elektrodenlage kann ein Lagenverbund aus der
Referenzelektrode und der Messelektrode sein. Beispielsweise kann die Elektrodenlage zusätzlich einen zumindest im Bereich der Bodenausnehmung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angeordneten
Elektrolyten, insbesondere einen Festkörperelektrolyten, aufweisen. Die
Messelektrode kann zumindest teilweise mit einer Außenumgebung des
Gassensors Kontakt haben, um mit dem Abgas beaufschlagt zu werden. Die Referenzelektrode kann zumindest im Bereich der Bodenausnehmung dem Bodenelement gegenüberliegend angeordnet sein, um mit dem Referenzgas beaufschlagt zu werden. Unter einem Referenzgas kann ein Gas oder
Gasgemisch verstanden werden, das in einer bestimmten Konzentration in der Referenzkammer vorgehalten werden kann und als Referenz zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases oder Gasgemischs in dem Abgas dienen kann. Beispielsweise kann das Referenzgas in die Referenzkammer eingeleitet werden oder elektrochemisch mittels der Elektrodenlage hergestellt werden. Zum Reduzieren des Partialdrucks im Schritt des Reduzierens und Befüllen der
Referenzkammer im Schritt des Befüllens kann die Elektrodenlage durch Anlegen einer entsprechenden Spannung als elektrochemische Pumpe betrieben werden. Beispielsweise kann die erste Spannung angelegt werden, um
Referenzgas von der Referenzkammer durch die Elektrodenlage in die
Außenumgebung des Gassensors zu pumpen und so einen Partialdruck des
Referenzgases in der Referenzkammer um beispielsweise eine, fünf oder zehn Größenordnungen zu reduzieren. Entsprechend kann die zweite Spannung angelegt werden, um eine im Schritt des Reduzierens erzeugte Pumprichtung umzukehren, sodass Referenzgas von der Außenumgebung über die
Elektrodenlage in die Referenzkammer diffundiert. Die zweite Spannung kann so lange angelegt werden, bis eine vorgegebene Referenzgasmenge in die
Referenzkammer geströmt ist. Die Referenzgasmenge kann beispielsweise als Ladungsmenge Q in Abhängigkeit von einem Volumen der Referenzkammer und einem zu erreichenden Referenzpartialdruck des Referenzgases in der
Referenzkammer vorgegeben sein.
Der hier vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einen Gaspeicher zum Speichern eines Referenzgases in einem Gassensor unabhängig von einer aktuellen Referenzgaskonzentration in dem Gasspeicher mit einer definierten Menge an Referenzgas zu befüllen, indem eine
Konzentration des Referenzgases in dem Gasspeicher vor dem Befüllen elektrochemisch reduziert wird.
Ein Referenzvolumen, auch Referenzspeicher oder -kammer genannt, kann einmalig mit einer Referenz wie beispielsweise Sauerstoff gefüllt werden, etwa beim Verschließen des Volumens während der Herstellung. Über die
Lebensdauer des Sensors können jedoch geringste Mengen der Referenz aus dem Referenzspeicher entweichen. Beispielsweise würde ein Verlust von Sauerstoff nach der Formel UNemst ~ log(p02 Messgas/Po2 Referenzgas) eine kleinere Messspannung erzeugen, wodurch ein Sauerstoffpartialdruck im Messgas als zu groß eingeschätzt würde. Ein solcher Verlust kann zum einen auf eine
Undichtigkeit eines als Referenzspeicher dienenden Hohlraums im Sensor zurückgehen, sodass Sauerstoff mit kleinsten Leckraten austreten kann oder Sauerstoff verzehrende Fettgaskomponenten eintreten können. Zum anderen kann es bei einer Spannungsmessung zwischen Referenz- und Messelektrode zu kleinsten Stromflüssen und somit zum Transport von Sauerstoff durch den Elektrolyten kommen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft nun ein Verfahren, durch das ein
abgeschlossener Referenzgasspeicher reproduzierbar mit Referenzgas befüllt werden kann, um eine gleichbleibende, ausreichende Füllung des Speichers zu gewährleisten. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren eine korrekte Befüllung des Speichers, ohne dass ein Partialdruck des Referenzgases im Speicher oder in einem Messgas bekannt sein muss.
Zur Durchführung des Verfahrens kann die Elektrodenlage als elektrochemische Pumpe eingesetzt werden. Indem die Elektroden der Elektrodenlage nicht laufend, sondern nur gelegentlich auf Pumpbetrieb umgeschaltet werden, werden die Elektroden weniger beansprucht, wodurch eine besonders hohe
Langzeitstabilität gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Reduzierens
spannungsgesteuert durchgeführt werden. Dabei kann die erste Spannung ein steuernder Parameter und der Partialdruck ein gesteuerter Parameter sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Befüllens stromgesteuert durchgeführt werden. Beispielsweise kann im Schritt des Reduzierens ein bei Anliegen der ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der
Messelektrode fließender Strom erfasst werden. Der Ausgangszustand kann dann hergestellt sein, wenn der Strom einer vorgegebenen Stromschwelle entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Stromintervalls liegt.
Entsprechend kann im Schritt des Befüllens ein bei Anliegen der zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließender Strom der steuernde Parameter und das Referenzgas der gesteuerte Parameter sein. Beispielsweise kann im Schritt des Befüllens ein Stromverlauf des zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließenden Stroms erfasst werden, um eine in die Referenzkammer fließende Ladungsmenge zu ermitteln. In einem optionalen Schritt des Unterbrechens kann die zweite Spannung zumindest zeitweise unterbrochen werden, wenn die in die Referenzkammer fließende Ladungsmenge einer der Referenzgasmenge zugeordneten
Referenzladungsmenge entspricht.
Auf diese Weise kann das Referenzgas mit geringem Messaufwand kontrolliert aus der Referenzkammer abgepumpt oder in die Referenzkammer
hineingepumpt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Reduzierens die erste Spannung über eine vorgegebene Zeitspanne angelegt wird, um den Ausgangszustand herzustellen. Beispielsweise kann die Zeitspanne einmalig experimentell ermittelt werden. Eine zeitgesteuerte Reduzierung des Partialdrucks hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Strommessung zur Ermittlung einer aus der Referenzkammer gepumpten Referenzgasmenge verzichtet werden kann.
Um einen konstanten Füllstand in der Referenzkammer zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn nachfolgend auf den Schritt des Befüllens die Schritte des
Reduzierens und Befüllens zumindest einmal (beispielsweise zyklisch) wiederholt werden, beispielsweise in festen Zeitintervallen wie einmal pro Woche oder einmal pro Monat.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Schließlich schafft der hier beschriebene Ansatz einen Gassensor zum
Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor folgende Merkmale aufweist: ein Bodenelement mit einer Bodenausnehmung; und eine Elektrodenlage mit einer Referenzelektrode und einer Messelektrode, wobei die Elektrodenlage die Bodenausnehmung abdeckt, um eine Referenzkammer zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die Referenzelektrode mit dem Referenzgas und die Messelektrode mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Besonders vorteilhaft ist ein Gassensor, der auch eine Vorrichtung gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform aufweist.
Bei dem Gassensor kann es sich beispielsweise um einen mikrostrukturierten Sauerstoffsensor mit selbst geschaffenem Referenzgas handeln, der in
Dünnschichttechnologie als elektrochemischer Chip hergestellt sein kann.
Dadurch können ein Platzbedarf sowie eine zum Aufheizen des Gassensors erforderliche Heizleistung reduziert werden. Beispielsweise kann der Gassensor eine dünne Membran als Elektrodenlage aufweisen, die mechanisch derart stabilisiert sein kann, dass sie Druckunterschieden zwischen Abgas und
Referenzgas, Druckpulsen und Schwingungen standhält.
Beispielsweise kann der Gassensor einen mikrostrukturierten Träger als
Bodenelement aufweisen, in dem die Messelektrode, ein dünner Elektrolytfilm und die Referenzelektrode angeordnet sind. Unterhalb der Messelektrode kann die Bodenaussparung angeordnet sein, die als Hohlraum zum Speichern des Referenzgases und je nach Ausführungsform zusätzlich als Überdruckdrossel dienen kann.
Der Gassensor kann ausgebildet sein, um das Referenzgas, etwa Sauerstoff, mittels der Elektrodenlage laufend in der Referenzkammer zu erzeugen. Dies ermöglicht eine laufende Bewertung einer an der Elektrodenlage anliegenden Spannung, die wiederum ein Maß für einen zu messenden Sauerstoffgehalt im Abgas darstellt. Zur Regenerierung des Sauerstoffspeichers können
gelegentliche Regenerierungsphasen vorgesehen sein. Optional ist eine Füllung der als Sauerstoffspeicher fungierenden Aussparung unterhalb der
Referenzelektrode mit einem niedrig porösen Material vorgesehen,
beispielsweise mit Aluminiumoxid. Durch das Material entsteht in Verbindung mit einem elektrochemischen Pumpbetrieb des Gassensors, bei dem Sauerstoff zwischen der Referenzkammer und der Außenumgebung des Gassensors gepumpt wird, ein Sauerstoffreservoir in der Referenzkammer. Durch den Austritt von Sauerstoff über die Teilabschnitte ist gewährleistet, dass sich kein kritischer Überdruck bildet.
Dadurch, dass das Referenzgas durch den Gassensor bereitgestellt wird und somit keine echte Referenzluft erforderlich ist, kann der Gassensor vollständig im Messgas platziert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Elektrodenlage gemäß einer Ausführungsform einen Elektrolyten aufweist. Die Referenzelektrode, die Messelektrode und der Elektrolyt können zumindest im Bereich der Bodenausnehmung einander gegenüberliegend angeordnet sein. Dabei kann der Elektrolyt zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angeordnet sein und die
Referenzelektrode der Bodenausnehmung zugewandt sein. Dazu kann die Elektrodenlage beispielsweise als Lagenverbund aus der Referenzelektrode, der Messelektrode und dem Elektrolyten realisiert sein. Dadurch kann die
Elektrodenlage bei geringem Materialaufwand ausreichend stabil ausgeführt werden. Gleichzeitig kann dadurch ein Platzbedarf des Gassensors reduziert werden. Die Referenzkammer kann zumindest teilweise mit einem Absorptions- oder Speichermaterial zum Absorbieren und/oder Speichern des Referenzgases gefüllt sein. Bei dem Absorptions- oder Speichermaterial kann es sich beispielsweise um ein schwach poröses Metalloxid handeln. Mithilfe des
Absorptions- oder Speichermaterials kann ein Referenzgasverlust in der
Referenzkammer, wie er etwa bei Undichtigkeit der Referenzkammer auftreten kann, reduziert werden.
Der Gassensor kann mit einem Deckelelement vorgesehen sein, das auf einer der Elektrodenlage gegenüberliegenden Seite des Bodenelements angeordnet sein kann, um die Bodenausnehmung abzudecken. Insbesondere kann zumindest ein Teilabschnitt der Referenzelektrode zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement angeordnet sein. Dabei kann ein erstes Ende des Teilabschnitts mit einer Außenumgebung des Gassensors und ein zweites Ende des Teilabschnitts mit der Referenzkammer Kontakt haben. Bei dem
Deckelelement kann es sich analog zum Bodenelement um eine Lage aus einem hitzebeständigen Material, etwa einem Halbleitermaterial, handeln. Das
Deckelelement kann etwa ein als Unterlage für das Bodenelement dienender Chipträger sein. Durch den Teilabschnitt wird ein Gasaustausch zwischen der Referenzkammer und der Außenumgebung ermöglicht. Dadurch kann verhindert werden, dass sich ein Überdruck in der Referenzkammer bildet.
Je nach Ausführungsform kann die Referenzelektrode ausgeformt sein, um zusätzlich oder alternativ zumindest einen Teilbereich einer durch das
Bodenelement gebildeten Wandinnenfläche der Referenzkammer zu
überdecken.
Der Gassensor kann ferner einen Referenzelektrodenkontakt aufweisen, der ausgebildet sein kann, um den Teilabschnitt mit einer dem Teilabschnitt gegenüberliegenden Seite des Bodenelements elektrisch leitfähig zu verbinden.
Beispielsweise kann der Referenzelektrodenkontakt als metallischer
Durchkontakt realisiert sein. Die dem Teilabschnitt gegenüberliegende Seite kann eine die Elektrodenlage aufweisende Seite des Bodenelements sein.
Mithilfe des Referenzelektrodenkontakts können die Referenzelektrode und die Messelektrode je von der gleichen Seite des Bodenelements elektrisch kontaktiert werden.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn der Gassensor einen Messelektrodenkontakt aufweist, der ausgebildet ist, um die Messelektrode mit einer der Messelektrode gegenüberliegenden Seite des Bodenelements elektrisch leitfähig zu verbinden. Analog zum Referenzelektrodenkontakt kann es sich bei dem
Messelektrodenkontakt um einen metallischen Durchkontakt handeln. Bei der der Messelektrode gegenüberliegenden Seite kann es sich etwa um eine den Teilabschnitt aufweisende Seite des Bodenelements handeln. Mittels des Messelektrodenkontakts können der Teilabschnitt der Referenzelektrode und die Messelektrode je von der gleichen Seite des Bodenelements elektrisch kontaktiert werden.
Das Bodenelement kann zumindest einen Kanal aufweisen, der die
Referenzkammer mit einer äußeren Umgebung des Gassensors fluidisch koppelt. Auch durch diese Ausführungsform kann mit geringem
Fertigungsaufwand verhindert werden, dass sich in der Referenzkammer ein Überdruck aufbaut.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a, 3b schematische Darstellungen eines Gassensors gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5a, 5b schematische Darstellungen eines Gassensors gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Umschalten zwischen einem Messbetrieb und einem Pumpbetrieb eines Gassensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen eines
Partialdrucks in einer Referenzkammer eines Gassensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer
vorgegebenen Referenzgasmenge zur Speicherung in einem Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Bodenelement 102 mit einer Bodenausnehmung 104, die hier als eine durchgehende Öffnung in dem Bodenelement 102 ausgeführt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bodenausnehmung 104 einerseits durch eine Elektrodenlage 106, andererseits durch einen Chipträger als Deckelelement 108 abgedeckt, sodass sich ein Hohlraum ergibt, der als Referenzkammer 110 zum Aufnehmen eines Referenzgases dient.
Die Elektrodenlage 106 ist als ein Lagenverbund aus einer Messelektrode 112, einer Referenzelektrode 114 sowie einem zwischen den Elektroden 112, 114 angeordneten Elektrolyten 116 realisiert. Dabei ist die Referenzelektrode 114 dem Bodenelement 102 im Bereich der Bodenausnehmung 104
gegenüberliegend angeordnet. Die Messelektrode 112 bildet eine der
Referenzelektrode 114 gegenüberliegende Außenseite der Elektrodenlage 106 und hat somit Kontakt mit einer das Abgas enthaltenden Außenumgebung des Gassensors 100. Im Bereich der Bodenausnehmung 104 sind die beiden Elektroden 114, 112 und der Elektrolyt 116 einander gegenüberliegend angeordnet, d. h., die beiden Elektroden 114, 112 berühren im Bereich der Bodenausnehmung 104 jeweils zumindest abschnittsweise den zwischen ihnen angeordneten Elektrolyten 116. Beispielhaft sind die Messelektrode 112 und der Elektrolyt 116 in Fig. 1 über eine gesamte Breite des Bodenelements 102 im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnet.
Im Unterschied zur Messelektrode 112 ist die Referenzelektrode 114 mit zwei Teilabschnitten 118 ausgeformt, die je entlang einer von der Elektrodenlage 106 abgewandten Oberfläche des Bodenelements 102 zwischen dem Deckelelement 108 und dem Bodenelement 102 verlaufen. Zwischen den Teilabschnitten 118 ist die Bodenausnehmung 104 angeordnet. Dabei hat je ein erstes Ende 122 der beiden Teilabschnitte 118 Kontakt zur Außenumgebung des Gassensors 100 und je ein zweites Ende 124 der beiden Teilabschnitte 118 Kontakt zur
Referenzkammer 110. Mittels der Teilabschnitte 118 wird beispielsweise ein Gasaustausch zwischen der Referenzkammer 110 und der Außenumgebung ermöglicht. Die Teilabschnitte 118 können zusätzlich oder alternativ zur elektrischen Kontaktierung der Referenzelektrode 114 dienen.
Die zweiten Enden 124 sind je über einen Verbindungsabschnitt 126 der Referenzelektrode 114 mit einem angrenzend an den Elektrolyten 106 verlaufenden Elektrolytabschnitt 128 der Referenzelektrode 114 elektrisch leitfähig verbunden. Die beiden Verbindungsabschnitte 126 verlaufen je entlang einer durch das Bodenelement 102 gebildeten Wandinnenfläche der
Referenzkammer 110, sodass diese die Wandinnenfläche zumindest teilweise überdecken.
Die Teilabschnitte 118 können je durch eine Schutzschicht, etwa einer
Isolationsschicht zur elektrischen Isolation, von dem Bodenelement 102 isoliert sein. Ebenso kann ein auf dem Bodenelement 102 aufliegender Bereich des Elektrolyten 116 durch eine derartige Schutzschicht von dem Bodenelement 102 isoliert sein.
Ferner ist die Referenzkammer 110 mit einem optionalen Absorptions- oder Speichermaterial 130 gefüllt, das zur Absorption oder Speicherung des
Referenzgases dient.
Lediglich beispielhaft weist die Bodenausnehmung 104 einen sich in Richtung der Elektrodenlage 106 verjüngenden Querschnitt auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Gassensor 100 als Sauerstoffsensor mit abgeschlossenem Referenzgasvolumen ausgebildet. Nachfolgend werden ein Aufbau und eine Betriebsweise eines derartigen Gassensors 100
beschrieben. Ein das Referenzgasvolumen fassender Hohlraum 110 in dem Gassensor 100 ist beispielsweise auf Basis von Dünnschichtelektrolyten realisiert. Der Gassensor 100 eignet sich beispielsweise als
(Sprung-) Lambdasonde für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Ottomotoren, als stromsparender Sauerstoffsensor in Handheld- Elektronik, Heizanlagen oder Gasthermen. Der Gassensor 100 ist mit einer elektrochemischen Pumpzelle ausgeführt, die die Messelektrode 112, einen Sauerstoffionenleiter als Elektrolyten 116, der insbesondere mittels Dünnschichttechnologie hergestellt ist, und die
Referenzelektrode 114 umfasst. Um die Referenzelektrode 114 befindet sich der Hohlraum 110, der gasdicht abgeschlossen und von einem Messgas, etwa dem
Abgas, getrennt ist.
Die Betriebsweise des Gassensors 100 beruht auf einer gelegentlichen definierten Befüllung des Referenzhohlraums 110. Hiermit kann ohne Kenntnis einer Messgaszusammensetzung und eines tatsächlichen Füllstands der
Referenzkammer 110 ein neuer, reproduzierbarer Füllstand in der
Referenzkammer 110 hergestellt werden, der als Referenz für eine
Sauerstoffmessung dient. Zunächst wird eine spannungsgeführte Leerung der Referenzkammer 100 durchgeführt. Dabei wird eine Spannung zwischen Messelektrode 112 und Referenzelektrode 114 angelegt, bei der Sauerstoff aus dem Hohlraum 110 auf die Seite des Messgases gepumpt wird. Anschließend wird eine stromgeführte Befüllung durchgeführt. Nach der Leerung wird eine Richtung des elektrochemischen Pumpens umgekehrt. Die
Referenzkammer 110 wird über ein Stromprofil l(t) so befüllt, dass eine integrierte Ladung einer vorgegebenen, äquivalenten Menge Sauerstoff entspricht. In das Integral können optional Korrekturen von Leckströmen eingefügt sein.
Nach der Befüllung wird die Spannung zwischen Messelelektrode 112 und Referenzelektrode 114 nach dem bekannten Prinzip eines Nernst- Sensors zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration im Messgas verwendet.
Die vorzugsweise aus Platin, Platinlegierungen oder sonstigen Platinmetallen, gegebenenfalls als Cermet- Struktur oder Perowskite, gefertigte
Referenzelektrode 114 ist so gestaltet, dass sie eine elektrochemische
Ausbaureaktion von Sauerstoff aus dem Elektrolyten 116 ermöglicht, aber selbst eine äußerst geringe Porosität aufweist. Somit kann auf eine Abdeckung mit Fremdmaterial zur Speicherung von Sauerstoff verzichtet werden.
Optional ist auf der beispielsweise aus Platin gefertigten Messelektrode 112 eine zusätzliche Schutzschicht deponiert.
Ein Referenzpumpstrom durch die Elektrodenlage 106 und Diffusionsströme von zwischen Referenzkammer 110 und Außenumgebung durch die Teilabschnitte 118 diffundierendem Sauerstoff bzw. Abgas sind je mit Pfeilen markiert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 entspricht dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Gassensor, mit dem Unterschied, dass das Bodenelement 102 beispielhaft zwei Kanäle 200 aufweist, die die
Referenzkammer 110 jeweils fluidisch mit der Außenumgebung des Gassensors 100 verbinden. Beispielhaft verlaufen die Kanäle 200 je entlang eines der beiden Teilabschnitte 118, 120 der Referenzelektrode 114.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die erwünschte Wirkung, Sauerstoff beschränkt entweichen zu lassen, durch vorab strukturierte Luftauslasskanäle 200 erzielt. Dabei ist eine Unterseite des Hohlraums 110 entweder durch den Chipträger 108 oder durch einen in Fig. 2 nicht eingezeichneten zusätzlichen Verschlussdeckel gebildet.
Je nach Ausführungsform ist die Aussparung 104 durch einen eigenen Deckel oder einen zur Befestigung des Gassensors 100 dienenden Halter, hier den Chipträger 108, abgeschlossen. Dadurch ergibt sich die als Speicher fungierende Referenzkammer 110. Die zusätzlichen Auslasskanäle 200 sind beispielsweise durch Mikrostrukturierung in den Chip eingefügt. Durch die Auslasskanäle 200 kann der Chip mit einer Überdruckdrosselfunktion realisiert werden.
Damit die Chipkontaktierung von einer Seite erfolgen kann, können die
Elektroden 112, 114 über eine Durchführung durch den Trägerchip, d. h. das Bodenelement 102, auf eine jeweils gegenüberliegende Seite mit einem Kontaktpad verknüpft sein, wie nachfolgend anhand der Figuren 3a und 3b näher erläutert.
Die Figuren 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen eines Gassensors 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Bei dem Gassensor 100 handelt es sich beispielsweise um einen anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Gassensor. Im Unterschied zu den Figuren 1 und 2 ist der Gassensor 100 hier ohne das Deckelelement dargestellt.
In Fig. 3a weist der Gassensor 100 einen Referenzelektrodenkontakt 300 auf, hier einen Durchkontakt, der einen der beiden Teilabschnitte 118 der
Referenzelektrode 114 elektrisch leitfähig mit einer dem Teilabschnitt 118 gegenüberliegenden Seite des Bodenelements 102, auf der auch die
Messelektrode 112 angeordnet ist, elektrisch leitfähig verbindet. Dabei ragt ein freies Ende 302 des Referenzelektrodenkontakts 300 neben der Elektrodenlage 106 aus dem Bodenelement 102 hervor. Das freie Ende 302 kann beispielsweise als Kontaktpad ausgeformt sein.
In Fig. 3b weist der Gassensor 100 statt des Referenzelektrodenkontakts 300 einen Messelektrodenkontakt 304 in Form eines Durchkontakts auf, der die Messelektrode 112 mit einer der Messelektrode 112 gegenüberliegenden Seite des Bodenelements 102 elektrisch leitfähig verbindet. Lediglich beispielhaft ragt ein als Kontaktpad ausgeformtes freies Ende 306 des Messelektrodenkontakts 304 an einer Stelle aus dem Bodenelement 102 hervor, an der in Fig. 3a der über den Referenzelektrodenkontakt 300 kontaktierbare Teilabschnitt 118 angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 112, 114 auf
verschiedenen Seiten des Gassensors 100 angeordnet. Für eine spätere elektrische Kontaktierung ist es vorteilhaft, wenn sich die Kontaktpads auf der gleichen Seite befinden. Es kann deshalb eine Durchführung 300 der
Referenzelektrode 114 auf eine Oberseite des Chips 100 eingebaut sein, wie in Fig. 3a gezeigt, oder umgekehrt eine Durchführung 304 der Messelektrode 112 zu einer Unterseite des Chips 100, wie in Fig. 3b gezeigt. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Gassensor, mit dem Unterschied, dass der Gassensor 100 kein Deckelelement aufweist.
Ein Überlappungsbereich, in dem sich der Elektrolytabschnitt 128 der
Referenzelektrode 114 und der Elektrolyt 106 überlappen, ist mit einem Kreis markiert. Des Weiteren sind Bereiche der Referenzelektrode 114 markiert, die zumindest teilweise ausgespart sein können. Diese Bereiche können
beispielsweise die Teilabschnitte 118 und die Verbindungsabschnitte 126 sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bodenelement 102 eine
durchgehende Metallisierung aufweisen. Zur Vereinfachung der Prozesse erfolgt die Metallisierung beispielsweise ohne Strukturierung. Die Metallisierung kann in den markierten Bereichen teilweise auch ausgespart sein. Wichtig ist die weiter oben als Elektrolytabschnitt 128 bezeichnete Kontaktfläche zwischen
Referenzelektrode 114 und Elektrolyten 116 sowie die elektrische Kontaktierung.
Aus prozesstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Elektrodenflächen vollflächig ausgeführt sind und über einen Bereich des Elektrolyten 116 herausragen. Die Elektroden 112, 114 und der Elektrolytbereich können aber auch strukturiert und teilweise ausgespart sein. Dies ist am Beispiel der
Referenzelektrode 114 in Fig. 4 dargestellt. Wie erwähnt, ist es wichtig, dass die Referenzelektrode 114 Kontakt zum Festkörperelektrolyten 116 hat und eine leitfähige Bahn für die elektrische Kontaktierung vorhanden ist. Einige Bereiche können auch ausgespart sein. Dabei kann ein Zuleitungsbereich aus einem anderen Material als die Referenzelektrode 114 realisiert sein, beispielsweise einem anderen Metall mit geringerer Porosität.
Die Messelektrode 112 kann mit einer hochporösen Abdeckschicht abgedeckt sein und, zusätzlich oder alternativ, katalytisches Material oder Gettermaterial aufweisen. Dadurch wird eine Funktionsbeeinträchtigung der Messelektrode 112 durch Ablagerungen aus dem Messgas verhindert. Alternativ kann der Chip auch derart auf dem Chipträger 108 befestigt sein, dass die Messelektrode 112 dem Chipträger 108 zugewandt ist. Zwischen
Messelektrode 112 und Chipträger 108 kann beispielsweise ein Spalt
freigelassen sein, um einen Gaszutritt zur Messelektrode 112 zu gewährleisten.
Optional ist der Gassensor 100 mit einem Heizer ausgeführt. Bei einer planparallelen Elektrodenanordnung ist der Sauerstoffleitpfad durch den
Elektrolyten 116 verhältnismäßig kurz. Zur Temperaturregelung kann deshalb ein Heizer verwendet werden, dessen elektrischer Widerstand stark
temperaturabhängig ist. Dies kann sich gegenüber einer Regelung auf einen Innenwiderstand des Elektrolyten 116 als günstig erweisen.
Als Trägermaterial kann beispielsweise ein Halbleiter verwendet werden, was insbesondere bei der Realisierung der strukturierten Luftauslasskanäle von Vorteil sein kann. Dabei kann der Heizer über eine geeignete lokalisierte
Dotierung in den Halbleiterträger integriert sein. Dieser Dotierungsbereich sollte möglichst nah an dem Elektrolyten 116 angeordnet sein, um eine
Wärmeübertragung auf den Elektrolyten 116 zu ermöglichen.
Die Figuren 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen eines Gassensors 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, in den Figuren 5a und 5b sind mögliche Ausführungsformen des Gassensors 100 mit einem als Referenzkammer 110 fungierenden geschlossenen Hohlraum dargestellt. Im Unterschied zu den Figuren 1 bis 4 weist der Gassensor 100 lediglich einen entlang des Deckelelements 108 verlaufenden Teilabschnitt 118 auf, der beispielsweise als Elektrodenzuleitung dient. Ein elektrischer Kontakt zur Kontaktierung der Referenzelektrode 114 kann beispielsweise seitlich aus dem Bodenelement 102 hinausgeführt sein, wie in Fig. 5a gezeigt. Alternativ kann der elektrische Kontakt mithilfe einer Durchkontaktierung auf eine dem
Deckelelement 108 gegenüberliegende Oberseite des Gassensors 100 geführt sein, wie in Fig. 5b gezeigt.
In Fig. 5b ist der Teilabschnitt 118 gegenüber dem in Fig. 5a gezeigten
Teilabschnitt beispielhaft stark verkürzt dargestellt. Der Teilabschnitt 118 ist über eine sowohl durch das Bodenelement 102 als auch durch den Elektrolyten 116 durchgeführte Elektrodenzuleitung als Referenzelektrodenkontakt 300 elektrisch kontaktierbar. Das als Kontaktpad ausgeformte freie Ende 302 des
Referenzelektrodenkontakts 300 liegt dabei auf einer von dem Bodenelement 102 abgewandten Oberfläche des Elektrolyten 116 auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein grundlegender Aufbau des Gassensors 100 die Messelektrode 112, einen Dünnschichtelektrolyten 116, die Referenzelektrode 114, einen abgeschlossenen Hohlraum 110 sowie eine Zuleitung für die Referenzelektrode 114 in den Hohlraum 110.
Auf den Gassensor 100 ist eine weitere Platte als Deckelelement 108 aufgebracht. Beispielsweise kann der Gassensor 100 prozesstechnisch durch Anfügen eines weiteren Siliziumplättchens verschlossen werden, das somit eine Unterseite des Gassensors 100 bildet.
Das angefügte Plättchen kann strukturiert sein, um ein Gasvolumen des Hohlraums 110 zu beeinflussen. Optional ist ein Unterteil in Form des
Deckelelements 108 aus dem gleichen Material wie ein Oberteil in Form des Bodenelements 102 hergestellt, etwa aus Silizium, Siliziumcarbid oder
Fotouranglas.
Die Zuleitung der Referenzelektrode 114 kann seitlich aus einem Schichtsystem des Gassensors 100 herausragen, wie beispielhaft in Fig. 5a dargestellt. Die Auslegung der Schichtdicken für Zuleitung, Chipoberseite und Chipunterseite sollte derart gewählt sein, dass die Schichten möglichst bündig
aufeinanderliegen, um eine Gasdichtheit des Sensors 100 zu gewährleisten.
Alternativ ist der Gassensor 100 mit einer Durchkontaktierung der Zuleitung realisiert, sodass sich unmittelbar auf den zu verschließenden Flächen kein Metall befindet, wie in Fig. 5b gezeigt.
Wie bereits weiter oben beschrieben, kann der Gassensor 100 ein Heizelement umfassen, das gegenüber den beiden Elektroden 112, 114 und dem als Sauerstoffionenleiter fungierenden Elektrolyten 116 elektrisch isoliert ist. Der Heizer kann beispielsweise als eine um einen äußeren Rand des Elektrolyten 116 verlegte Heizwindung ausgestaltet sein. Alternativ kann der Heizer an der Unterseite des Gassensors 100 angebracht sein.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Mittels des Verfahrens 600 kann beispielsweise ein Gassensor, wie er vorangehend anhand der Figuren 1 bis 5b beschrieben ist, betrieben werden. In einem ersten Verfahrensschritt 602 wird ein Partialdruck des Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung reduziert, indem eine erste Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode angelegt wird. Durch das Anlegen der ersten Spannung wird die Elektrodenlage als elektrochemische Pumpe betrieben, um Referenzgases aus der
Referenzkammer abzupumpen und somit einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen. Ist der Ausgangszustand hergestellt, so wird in einem weiteren Verfahrensschritt
604 eine zweite Spannung zwischen der Referenzelektrode und der
Messelektrode angelegt. Durch Anlegen der zweiten Spannung wird eine Pumprichtung in der Elektrodenlage umgekehrt, sodass nun das Referenzgas von einer Außenumgebung des Gassensors in die Referenzkammer gepumpt wird, bis die Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge befüllt ist.
Beispielsweise kann in einem normalen Messmodus des Gassensors eine zwischen der Messelektrode und Referenzelektrode anliegende Spannung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration verwendet werden. Dabei sollte die
Referenzkammer gelegentlich neu befüllt werden. Die Befüllung kann
beispielsweise in festen Zeitintervallen, etwa einmal im Monat, oder nach sonstigen Kriterien erfolgen, die eine nicht mehr ausreichende Befüllung anzeigen. Nach der definierten Befüllung kann der übliche Messbetrieb wieder fortgesetzt werden, wie nachfolgend anhand von Fig. 7 erläutert.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Umschalten zwischen einem Messbetrieb und einem Pumpbetrieb eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 702 befindet sich der Gassensor, etwa ein anhand von Fig. 1 bis Fig. 6 beschriebener Gassensor, in einem Messmodus, in dem eine Spannung zwischen der
Messelektrode und der Referenzelektrode gemessen wird. In Abhängigkeit von dieser Spannung kann eine Konzentration des Referenzgases in dem Abgas ermittelt werden. In einem Schritt 704 wird geprüft, ob ein Kriterium zur neuen Befüllung der Referenzkammer erfüllt ist. Das Kriterium kann beispielsweise eine vorgegebene Betriebszeit des Gassensors sein. Der Schritt 704 kann parallel zum Schritt 702 durchgeführt werden, um eine fortlaufende Überprüfung des Kriteriums zu ermöglichen. Ergibt sich im Schritt 704, dass das Kriterium erfüllt ist, so wird in einem Schritt 706 eine definierte Kammerleerung mit
anschließender Befüllung der Referenzkammer durchgeführt, etwa gemäß dem anhand von Fig. 6 beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines Gassensors. Ergibt sich hingegen, dass das Kriterium nicht erfüllt ist, so wird der Messmodus beibehalten. Nachfolgend auf den Schritt 706, d. h. nach vollständiger Befüllung der Referenzkammer, kann der Schritt 702 erneut durchgeführt werden, um den Gassensor vom Pumpbetrieb in den Messbetrieb umzuschalten.
Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Einstellen eines Partialdrucks in einer Referenzkammer eines Gassensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie er beispielsweise anhand einer der Figuren 1 bis 7 beschrieben ist. Beispielhaft veranschaulicht das in Fig. 8 gezeigte Ablaufdiagramm die wesentlichen Abiaufschritte zur Einstellung eines vorgegebenen Sauerstoffpartialdrucks in der Referenzkammer des Gassensors. Das Verfahren 800 kann beispielsweise im Rahmen eines anhand von Fig. 6 beschriebenen Schritts zur Befüllung der Referenzkammer durchgeführt werden. In einem Schritt 802 wird die Referenzkammer spannungsgeführt entleert.
Genauer gesagt wird hierbei zumindest ein Hauptanteil eines Volumens des Referenzgases aus der Referenzkammer entfernt. Nachfolgend auf den Schritt 802 wird in einem Schritt 804 ein Abbruchkriterium zum Abbrechen der
Kammerentleerung geprüft. Ist das Abbruchkriterium im Schritt 804 erfüllt, so wird in einem Schritt 806 die Referenzkammer so lange mit dem Referenzgas befüllt, bis eine vorgegebene Ladungsmenge Q erreicht ist.
Bei unbekannter Sauerstoffkonzentration im Messgas und unbekanntem
Sauerstofffüllstand in der Hohlkammer würde durch bloßes Anlegen einer Spannung zur Befüllung der Referenzkammer ein Sauerstoffpartialdruck in der Referenzkammer entstehen, der von der unbekannten Sauerstoffkonzentration im Messgas abhinge. Deshalb wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Betriebsweise zur Kammerfüllung folgende in Fig. 8 veranschaulichte Methode vorgeschlagen.
Zunächst wird im Schritt 802 die Referenzkammer entleert. Dabei ist weder der Füllstand der Referenzkammer noch der Sauerstoffgehalt im Messgas bekannt. Messbar ist lediglich eine Spannung, die sich bei einer Gleichgewichtsbedingung durch die Nernst-Gleichung UNemst ~ ln(p02 Messgas/Po2 Referenzgas) einstellt. Es ist ausreichend, wenn eine Leerungsspannung U|eer von beispielsweise 0,4 bis 2 V angelegt wird.
Hierdurch findet eine ausreichende Leerung statt. Besteht das Messgas beispielsweise aus Luft (p02 essgas_i = 200 mbar) und herrscht sich in der
Referenzkammer zunächst ein Sauerstoffpartialdruck von beispielsweise p02jniti = 1000 mbar, so wird durch eine vorgegebene angelegte Spannung die
Referenzkammer um mehrere Größenordnungen geleert, etwa auf Po2emPty_i = 2*10"5 mbar. Weist das Messgas jedoch einen anderen Sauerstoffpartialdruck auf,
beispielsweise 02 MessgaS_2 = 10 3 mbar, so würde dieser bei gleicher anliegender Spannung auf den Wert p02empty_i = 10"11 mbar absinken.
Auf logarithmischer Skala kann es deutliche Unterschiede zwischen den
Partialdrücken geben. Jedoch repräsentiert der Partialdruck in beiden Fällen einen Füllstand auf linearer Skala, der einer faktischen Entleerung der
Referenzkammer gleichkommt. Beträgt der Zielwert für die Referenzkammer beispielsweise po2_ziei = 1000 mbar, so ist im ersten Beispiel die Referenzkammer zu 99,999998 % geleert. Im zweiten Fall beträgt die Entleerung
99,999999999999 %. In beiden Fällen kann die Referenzkammer also als faktisch geleert betrachtet werden.
Das im Schritt 804 zu prüfende Kriterium, wie lange die Spannung zur Leerung anliegt, kann beispielsweise durch Beobachtung eines Stromverlaufs bestimmt werden. Langfristig stellt sich ein Wert ein, der einem durch Undichtigkeit der Referenzkammer verursachten Gasleckstrom entspricht, auf den der Strom asymptotisch abklingt. Es kann bei der Kammerleerung ein Schwellwert für den Strom oder ein Stromintervall hinterlegt werden, nach dessen Erreichen der Entleerungsprozess abgebrochen oder zumindest zeitweise unterbrochen werden kann. Alternativ kann auch ein festes Zeitintervall vorgegeben werden, das durch ergänzende Messungen einmalig bestimmt werden kann.
Schließlich wird die Referenzkammer im Schritt 806 befüllt. Dabei wird eine Pumprichtung umgekehrt und elektrochemisch Sauerstoff in die
Referenzkammer gepumpt. Dies geschieht jedoch nicht allein durch Anlegen einer Spannung, sondern stromgeführt bzw. spannungsgeführt unter Messung des Verlaufs des Stromes. Die Befüllung wird beispielsweise dann abgebrochen, wenn eine bestimmte Ladungsmenge erreicht ist. Diese Ladungsmenge ergibt sich aus dem in der Referenzkammer zu erreichenden Sauerstoffpartialdruck.
Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Ermitteln einer vorgegebenen Referenzgasmenge zur Speicherung in einem Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 900 dient der experimentellen Ermittlung einer zum korrekten Betrieb des Gassensors erforderlichen Ladungsmenge Q in der Referenzkammer. Hierzu wird in einem Schritt 902 unter Verwendung eines definierten Messgases, d. h. eines
Messgases mit bekanntem Referenzgaspartialdruck, ein Spannungsschwellwert berechnet, der einem in der Referenzkammer herzustellenden
Referenzgaspartialdruck entspricht. Anschließend wird in einem Schritt 904 die Referenzkammer spannungsgeführt entleert. In einem weiteren Schritt 906 wird die Referenzkammer stromgeführt mit dem Referenzgas gefüllt, etwa mit Sauerstoff. Durch Integrieren wird in einem Schritt 908 eine im Schritt 906 geflossene Ladungsmenge bestimmt. In einem beispielsweise fortlaufend durchgeführten Schritt 910 wird geprüft, ob der Spannungsschwellwert im Schritt 906 erreicht wurde. Ergibt sich im Schritt 910, dass der Spannungsschwellwert erreicht wurde, so wird in einem Schritt 912 die Kammerfüllung abgebrochen und eine dabei ermittelte Ladungsmenge abgespeichert, die der zum korrekten Betrieb des Gassensors erforderlichen Referenzgasmenge entspricht. Ergibt sich hingegen im Schritt 910, dass der Spannungsschwellwert nicht erreicht wurde, so wird die Ausführung des Schritts 912 unterdrückt und somit der Schritt 906 nicht abgebrochen.
Eine zu speichernde Sauerstoffmenge, d. h. eine Anzahl von
Sauerstoffmolekülen N, ergibt sich unmittelbar aus einem Volumen der
Referenzkammer und einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck p entsprechend der idealen Gasgleichung pV = RIMT. Pro Sauerstoffmolekül sind vier Elektronen erforderlich. Die elektrische Ladung wird für die Befüllung verwendet. Die Ladungsmenge Q kann nicht nur rechnerisch, sondern auch durch eine experimentelle Kalibrierung bestimmt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn das Volumen der Referenzkammer nicht exakt bekannt ist, etwa aufgrund von Exemplarstreuung bei der Fertigung. Eine Möglichkeit besteht in einer stromgeführten Kammerfüllung bei bekanntem Gas an der Messelektrode. Dabei sollte der Sauerstoffpartialdruck im Gas in etwa dem gewünschten
Sauerstoffpartialdruck in der Referenzkammer entsprechen, d. h. beispielsweise maximal um einen Faktor 10 davon abweichen. Entsprechend der Nernst- Gleichung kann die zu erwartende Spannung einer gefüllten Referenzkammer mit dem erwünschten Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem bekannten Messgas berechnet werden. Wird diese Spannung bei einer ström geführten Füllung mit
Sauerstoff erreicht, so wird die stromgeführte Füllung abgebrochen. Die während der Füllung registrierte Ladungsmenge Q kann dann als Zielwert für künftige Kammerbefüllungen verwendet werden. Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1000 zum Betreiben eines
Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1000 eignet sich beispielsweise zur Durchführung eines anhand von Fig. 6 beschriebenen Verfahrens. Dabei kann die Vorrichtung 1000 Teil eines Gassensors sein, wie er anhand der Figuren 1 bis 9 beschrieben ist.
Die Vorrichtung 1000 umfasst eine Reduzierungseinheit 1002, die ausgebildet ist, um einen Verfahrensschritt zum Reduzieren eines Partialdrucks des
Referenzgases in der Referenzkammer um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen, sodass ein Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge hergestellt wird. Beispielsweise ist die Reduzierungseinheit 1002 ausgebildet, um ansprechend auf das Herstellen des Ausgangszustands ein Befüllungssignal 1004 bereitzustellen. Eine Befüllungseinheit 1006 der Vorrichtung 1000 ist ausgebildet, um das Befüllungssignal 1004 zu empfangen und unter Verwendung des Befüllungssignals 1004 einen Verfahrensschritt zum Befüllen der Referenzkammer mit der vorgegebenen Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (600) zum Betreiben eines Gassensors (100) zum
Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor (100) ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104) und eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112) aufweist, wobei die Elektrodenlage (106) die Bodenausnehmung (104) abdeckt, um eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die
Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst:
Reduzieren (602) eines Partialdrucks des Referenzgases in der
Referenzkammer (110) um zumindest eine Größenordnung durch Anlegen einer ersten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112), um einen Ausgangszustand zum Befüllen der Referenzkammer (110) mit einer vorgegebenen Referenzgasmenge herzustellen; und
Befüllen (604) der Referenzkammer (110) mit der vorgegebenen
Referenzgasmenge durch Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112), wenn im Schritt des Reduzierens (602) der Ausgangszustand hergestellt wurde.
2. Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Reduzierens (602) spannungsgesteuert und/oder der Schritt des Befüllens (604) stromgesteuert durchgeführt wird.
3. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Reduzierens (602) die erste Spannung über eine vorgegebene Zeitspanne angelegt wird, um den Ausgangszustand herzustellen. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend auf den Schritt des Befüllens (604) die Schritte des Reduzierens (602) und Befüllens (604) zumindest einmal wiederholt werden.
Vorrichtung (1000), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
Gassensor (100) zum Analysieren eines Abgases einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gassensor (100) folgende Merkmale aufweist: ein Bodenelement (102) mit einer Bodenausnehmung (104); und eine Elektrodenlage (106) mit einer Referenzelektrode (114) und einer Messelektrode (112), wobei die Elektrodenlage (106) die
Bodenausnehmung (104) abdeckt, um eine Referenzkammer (110) zum Aufnehmen eines Referenzgases zu bilden, wobei die
Referenzelektrode (114) mit dem Referenzgas und die Messelektrode (112) mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) eine Vorrichtung (1000) gemäß Anspruch 5 aufweist.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenlage (106) einen Elektrolyten (116) aufweist, wobei die Referenzelektrode (114), die Messelektrode (112) und der Elektrolyt (116) zumindest im Bereich der Bodenausnehmung (104) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Elektrolyt (116) zwischen der Referenzelektrode (114) und der Messelektrode (112) angeordnet ist und die Referenzelektrode (114) der Bodenausnehmung (104) zugewandt ist. Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkammer (110) zumindest teilweise mit einem Absorptions- oder Speichermaterial (130) zum Absorbieren oder Speichern des Referenzgases gefüllt ist.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Deckelelement (108), das auf einer der Elektrodenlage (106) gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) angeordnet ist, um die Bodenausnehmung (104) abzudecken, insbesondere wobei zumindest ein Teilabschnitt (118) der Referenzelektrode (114) zwischen dem Deckelelement (108) und dem Bodenelement (102) angeordnet ist, wobei ein erstes Ende (122) des Teilabschnitts (118) mit einer
Außenumgebung des Gassensors (100) und ein zweites Ende (124) des Teilabschnitts (118) mit der Referenzkammer (110) in Kontakt steht und/oder an die Referenzkammer (110) angrenzt.
Gassensor (100) gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Referenzelektrodenkontakt (300), der ausgebildet ist, um den
Teilabschnitt (118) mit einer dem Teilabschnitt (118)
gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) elektrisch leitfähig zu verbinden.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11,
gekennzeichnet durch einen Messelektrodenkontakt (304), der ausgebildet ist, um die Messelektrode (112) mit einer der Messelektrode (112) gegenüberliegenden Seite des Bodenelements (102) elektrisch leitfähig zu verbinden.
Gassensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (102) zumindest einen Kanal (200) aufweist, der die Referenzkammer (110) mit einer äußeren Umgebung des Gassensors (100) fluidisch koppelt.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.
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