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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente
werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen
zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde” bekannt
sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie,
spielen. Mit der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ)
wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis
zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer
für die Verbrennung theoretisch benötigten (d.
h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird
dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer
oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen.
Entsprechend weisen „fette” Gasgemische (d. h.
Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere” Gasgemische
(d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
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Derartige
Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde”,
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und
einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht.
Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten
miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes
ZrO2) oder ähnliche Keramiken als
Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potenzialdifferenz
zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem
Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung
auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung
um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln.
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Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen” zum
Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung” an
zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird,
wobei der „Pumpstrom” durch die Pumpzelle gemessen
wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen
in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in
Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch
derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser
Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere” durchdringen
muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
zu gelangen. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die
Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren
als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise
weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen.
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In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach
dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen”) und
ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers” durch
Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in
dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt,
dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht. Das
Funktionsprinzip und mögliche elektrische Beschaltungen
derartiger Breitband-Lambdasonden nach dem Doppelzeller-Prinzip,
auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Beispiel Bezug
genommen werden kann, sind beispielsweise in Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe,
Juni 2001, S. 116–117 beschrieben.
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Breitbandlambdasonden
nach dem Doppelzellen-Prinzip halten also im statisch geregelten
Fall den Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum über die gemessene
Nernstspannung konstant. Über die Diffusionsbarriere diffundiert
eine begrenzte Gasmenge aus dem Abgas in den Hohlraum. Beim Abpumpen
des Sauerstoffs bzw. beim Zupumpen von Sauerstoff kann aus dem Pumpstrom
auf den jeweiligen Sauerstoff überschuss bzw. Sauerstoffmangel
im Abgas und damit auf den Lambdawert geschlossen werden. Um konstante
Diffusionsbedingungen in der Diffusionsbarriere einzustellen, wird über
eine Regelung im Auswerte-Schaltkreis (Auswerte-IC, Steuerung) der
Innenwiderstand der Nernstzelle oder vorzugsweise der Innenwiderstand
eines Heizelements konstant gehalten.
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Bei
dieser Temperaturregelung über ein Heizelement sind jedoch
in der Praxis verschiedene technische Schwierigkeiten zu überwinden.
Eine Lambdasonde soll lediglich den Molenbruch des Sauerstoffs bzw. der
Fettgase ermitteln, um einen Motor geeignet zu betreiben. Da die
Diffusion durch die Diffusionsbarriere durch den Partialdruck bestimmt
ist, kann die Sonde nur diesen messen. Erst bei bekanntem Gesamtdruck kann,
aus einem Verhältnis zwischen Partialdruck und Gesamtdruck
auf den Molenbruch der nachzuweisenden Gaskomponente, beispielsweise
Sauerstoff, im Abgas geschlossen werden. Um diesen Gesamtdruck zu bestimmen,
ist ein externer Drucksensor oder ein Abgasdruckmodell erforderlich,
welches jedoch aufgrund des in der Regel nicht genau bekannten Massenflusses
und der Geometrie häufig mit großen Fehlern behaftet ist.
Der Fehler des Gesamtdrucks geht, multipliziert mit dem Faktor der
statischen Druckabhängigkeit, in den Gesamtfehler ein.
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Wünschenswert
ist es daher, eine Breitbandsonde bereitzustellen, welche eine möglichst
geringe statische Druckabhängigkeit des Ausgangssignals
bereitstellt, damit sich der Fehler im Abgasdruckmodell nur vergleichsweise
geringfügig im Ausgangssignal als Fehler bemerkbar macht.
Ansätze für eine derartige Optimierung müssen
insbesondere Fehler in der Temperaturregelung durch erwärmte
Zuleitungen berücksichtigen, wie beispielsweise in
DE 101 01 351 A1 oder
in
DE 101 00 599 A1 beschrieben
wird. Dort wird beschrieben, wie durch geeignete Kombination von
Zuleitungen mit positivem Temperaturkoeffizienten und mit negativem
Temperaturkoeffizienten Fehler in der Temperatureinstellung vermieden
werden können. Trotz dieser Verbesserungen bestehen jedoch
weiterhin ein Bedarf und ein weiteres Optimierungspotenzial zur
Verbesserung der statischen Druckabhängigkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Sensorelement sowie eine das
Sensorelement umfassende Sensoranordnung, zur Bestimmung mindestens
einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum.
Insbesondere kann das Sensorelement genutzt werden, um eine Zusammensetzung
des Gases in dem Messgasraum, beispielsweise eine Konzentration
und/oder einen Partialdruck des Gases in einem Messgasraum zu bestimmen,
insbesondere eine Konzentration bzw. einen Partialdruck von Sauerstoff
in dem Gas. Insbesondere kann das Sensorelement, wie die eingangs
beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente,
genutzt werden, um eine Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine
zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein Einsatz
beispielsweise als NOx-Sensor möglich. Das vorgeschlagene
Sensorelement und die vorgeschlagene Sensoranordnung vermindern
die statische Druckabhängigkeit bekannter Sensorelemente
und vermeiden damit die oben beschriebenen Probleme zumindest weitgehend.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zunächst
durch einen größeren Porenradius der Poren in
der Diffusionsbarriere die Gasphasendiffusion gegenüber
der Knudsendiffusion in der Diffusionsbarriere bevorzugt werden
kann, so dass dadurch allgemein die statische Druckabhängigkeit
gesenkt werden kann. Die niedrigere statische Druckabhängigkeit
bedingt jedoch eine höhere Temperaturabhängigkeit
des Diffusionsgrenzstroms, wie auch in der
DE 101 01 351 A1 und der
DE 101 00 599 A1 erkannt
wird. Diese höhere Temperaturabhängigkeit kann
zwar durch eine Temperaturregelung des Sensorelements, beispielsweise über
einen Innenwiderstand einer Nernstzelle des Sensorelements, zum
größten Teil kompensiert werden. Der Innenwiderstand
enthält jedoch aufgrund von Zuleitungen einen Anteil, welcher
durch nicht kontrollierbare Temperatureinflüsse, wie beispielsweise
Gehäuseeinflüsse und/oder einen Anteil eines Sechskants
einer Lambdasonde, abhängig sein kann.
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Die üblicherweise
für die Elektrodenzuleitungen verwendeten Platinmaterialien
haben einen positiven Temperaturkoeffizienten von ca. 0,004/K. Gerade
bei für Dieselmotoren vorgesehenen Magersonden, welche beispielsweise
auf einen Innenwiderstand von 100 Ohm geregelt werden sollen, ist
die Änderung des Innenwiderstands aufgrund der äußeren
Temperaturänderung jedoch soweit wie möglich zu
minimieren. Der Fehler der Kennlinie durch die Temperaturerhöhung,
beispielsweise im Bereich eines Sechskants der Gehäuse
der Sensorelemente, wie beispielsweise der in Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe, 2001,
Seiten 116 bis 117 beschriebenen Sensorelemente, kann bis
zu 1% betragen, was sich bereits erheblich auf die Messgenauigkeit
und somit die Regelgenauigkeit auswirken kann.
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Es
wird dementsprechend ein Sensorelement vorgeschlagen, welches mindestens
zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden
Festelektrolyten aufweist. Mindestens eine der Elektroden soll dabei
mindestens eine Elektrodenzuleitung aufweisen. Unter einer Elektrodenzuleitung
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrisch leitfähige
Verbindung zu verstehen, über welche die mindestens eine Elektrode
mit einem elektrischen Strom, insbesondere einem Elektronenstrom,
beaufschlagt werden kann. Im Gegensatz zur eigentlichen Elektrode
weist die Elektrodenzuleitung dabei keine Grenzfläche zum
Festelektrolyten auf, an welcher ein wesentlicher Einbau bzw. Ausbau
von Ionen, beispielsweise Sauerstoffionen, in den Festelektrolyten
bzw. aus dem Festelektrolyten und/oder ein elektrischer Stromübertrag
in oder aus dem Festelektrolyten stattfinden könnte. Beispielsweise
kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass die Elektrodenzuleitung
durch eine Isolationsschicht elektrisch gegenüber dem Festelektrolyten
isoliert ist. Derartige Isolationsschichten sind grundsätzlich
beispielsweise aus
DE
198 37 607 A1 bekannt. Die Elektrodenzuleitung kann sich
beispielsweise von einem Anschlusskontakt, beispielsweise einem
Anschlusskontakt auf einer Ober- oder Unterseite eines keramischen
Schichtaufbaus des Sensorelements, bis hin zu der Elektrode erstrecken.
Gegebenenfalls können zwischen dem Anschlusskontakt und
der Elektrodenzuleitung Durchkontaktierungen durch eine oder mehrere
Schichten des keramischen Schichtaufbaus vorgesehen sein, welche
noch als Bestandteil der Anschlusskontakte angesehen werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, die mindestens eine Elektrodenzuleitung zumindest
teilweise aus einem Zuleitungsmaterial mit einem spezifischen Widerstand
und einem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit
zu fertigen, wobei ein Produkt aus dem Temperaturkoeffizienten und
dem spezifischen Widerstand einen Wert aufweisen soll, welcher unterhalb
von 4·10–10 Ω·m/K
liegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Produkt aus dem Temperaturkoeffizienten
und dem spezifischen Widerstand einen Wert von kleiner als 3·1010 Ω·m/K, insbesondere
kleiner als 1,5·1010 Ω·m/K
und besonders bevorzugt kleiner als 1,0·1010 Ω·m/K aufweist.
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Die
Erfindung berücksichtigt die Tatsache, dass zum einen der
Widerstandsanteil der Elektrodenzuleitungen durch einen hohen Querschnitt
dieser Elektrodenzuleitungen verkleinert werden kann, wie es beispielsweise
in
DE 101 01 351 A1 vorgeschlagen
wird. Aus dieser Querschnittsvergrößerung resultiert
jedoch ein hoher Verbrauch von Edelmetall, was die Kosten des Sensorelements
erheblich erhöhen kann. Somit ist es zum einen wesentlich,
ein Zuleitungsmaterial zu wählen, welches einen möglichst
geringen Temperaturkoeffizienten aufweist, und zum anderen einen
möglichst geringen spezifischen Widerstand, um einen hohen
Materialverbrauch und somit einen hohen Bedarf an Edelmetall zu
vermeiden. Das beschriebene Produkt aus dem Temperaturkoeffizienten
und dem spezifischen Widerstand und dessen erfindungsgemäße
Einschränkung auf einen Wert unterhalb von 4·10
–10 Ω·m/K berücksichtigt
diese Erkenntnis und stellt somit ein Sensorelement bereit, bei
welchem die Temperaturabhängigkeit und somit die statische
Druckabhängigkeit erheblich verringert werden kann.
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Da
Platin, welches üblicherweise als Elektrodenmaterial in
Lambdasonden eingesetzt wird, einen spezifischen Widerstand von
1,06·10–7 Ω·m
und einen Temperaturkoeffizienten von 0,0039 und somit ein Produkt des
spezifischen Widerstands und des Temperaturkoeffizienten von 4,13·10–10 Ω·m/K aufweist,
scheidet dieses Elektrodenmaterial erfindungsgemäß für
die Verwendung in den vorgeschlagenen Sensorelementen zumindest
als Reinmaterial aus. Es lassen sich jedoch Platin-Legierungen einsetzen,
welche die erfindungsgemäße Bedingung erfüllen
können. Beispielsweise lassen sich Platin-Legierungen mit einem
oder mehreren der folgenden Metalle einsetzen: Rhodium, Iridium,
Palladium, sofern diese die oben genannte Bedingung erfüllen. Beispiele
derartiger Legierungen werden unten angeführt. Außerdem
lassen sich Zirkon-komstabilisierte (ZGS) Platinarten einsetzen,
welche auch im Hochtemperaturbereich gegen Kornwachstum, Verunreinigungen
und Deformierung resistent sind. Derartige ZGS-Platinmaterialien
lassen sich auch in Legierung einsetzen, beispielsweise in Legierung
mit einem oder mehreren der oben genannten Metalle. Besonders bevorzugt ist
jedoch die Verwendung von Gold. So kann das Zuleitungsmaterial Gold
in Reinform und/oder als Legierung enthalten. Gold weist mit 2,44·10–8 Ω·m, einem
Temperaturkoeffizienten von 0,0039/K und einem Produkt aus spezifischem
Widerstand und Temperaturkoeffizient von 9,52·10–8 Ω·m/K trotz
mit Platin vergleichbarem Temperaturkoeffizienten erheblich bessere
Eigenschaften für die genannten Temperaturstabilisierungszwecke
auf als Platin. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Zuleitungsmaterial
vollständig aus Gold besteht. So kann beispielsweise die
mindestens eine Zuleitung sich von mindestens einem Anschlusskontakt
bis hin zu der mindestens einen Elektrode erstrecken und vollständig
aus dem genannten Zuleitungsmaterial, insbesondere aus Gold, bestehen.
Unter „vollständig” sind dabei auch Materialien
zu verstehen, welche noch geringfügige Spuren, vorzugsweise
Spuren von nicht mehr als 1%, von Verunreinigungen enthalten können.
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Wie
oben beschrieben, wird die Sensoranordnung vorzugsweise derart ausgestaltet,
dass diese eine Steuerung umfasst, die das Sensorelement derart
ansteuert, dass vorzugsweise ein Innenwiderstand einer Nernstzelle
des Sensorelements konstant gehalten wird, beispielsweise durch
eine entsprechende Temperaturregelung mittels mindestens eines Heizelements.
Da die Problematik der Temperaturänderungen insbesondere
im Bereich der Elektrodenzuleitungen zu der Nernstzelle auftreten,
ist es besonders bevorzugt, diese Elektrodenzuleitungen zu der Nernstzelle
erfindungsgemäß auszugestalten, also mit dem erfindungsgemäßen Zuleitungsmaterial
auszustatten. Beispielsweise kann die Nernstzelle eine Referenzelektrode,
beispielsweise mit einem Referenzgasraum (beispielsweise einem Referenzluftkanal)
in Verbindung stehende Referenzelektrode und eine Nernstelektrode
umfassen, beispielsweise eine in einem Elektrodenhohlraum angeordnete zweite
Elektrode. Alternativ oder zusätzlich können die
mindestens zwei Elektroden mindestens eine erste, mit dem Messgasraum
in Verbindung stehende Elektrode, sowie mindestens eine zweite Elektrode,
die über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus
dem Messgasraum beaufschlagbar ist, umfassen. Beispielsweise kann
diese zweite Elektrode in dem genannten Elektrodenhohlraum angeordnet
sein und mit einer Referenzelektrode die genannte Nernstzelle bilden.
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Um
weiterhin den Effekt der Elektrodenzuleitungen bzw. deren Temperaturkoeffizienten
auf die statische Druckabhängigkeit des Sensorelements
zu vermindern, werden in einer Weiterentwicklung der Erfindung in
den Elektrodenzuleitungen Widerstandselemente mit positivem Temperaturkoeffizienten
(PTC-Widerstandselemente) mit Widerstandselementen mit negativem
Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstandselementen) kombiniert. Dementsprechend
wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenzuleitung mindestens ein
PTC-Widerstandselement und mindestens ein NTC-Widerstandselement
umfasst, wobei das NTC-Widerstandselement zu dem PTC-Widerstandselement
parallel und/oder in Reihe geschaltet sein kann. Diese Schaltung
soll vorzugsweise derart erfolgen, dass sich insgesamt die Effekte
des PTC-Widerstandselements und des NTC-Widerstandselements zumindest
im Bereich der Arbeitstemperatur der Elektrodenzuleitungen (beispielsweise zwischen
200 und 400°C) ausgleichen. So kann beispielsweise die
Elektrodenzuleitung mindestens eine Hauptleitung und eine zumindest
teilweise der Hauptleitung parallel geschaltete Nebenleitung umfassen,
wobei die Hauptleitung mindestens ein erstes PTC-Widerstandselement
umfasst und wobei die Nebenleitung mindestens ein zweites PTC-Widerstandselement
und mindestens ein NTC-Widerstandselement umfasst. Der gesamte Widerstand
einer derartigen Schaltung lässt sich leicht berechnen.
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Das
PTC-Widerstandselement kann insbesondere das mindestens eine Zuleitungsmaterial
umfassen. Dieses mindestens eine Zuleitungsmaterial, welches vorzugsweise
ein Metall ist, soll einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen,
innerhalb des oben genannten Bereichs zwischen Null und 4·10–10 Ω·m/K. Das NTC-Widerstandselement
kann beispielsweise ein Zirkonoxid, insbesondere Zirkondioxid, umfassen.
Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Folienbinder aus Yttrium-stabilisiertem
Zirkondioxid (YSZ) verwendet werden, auf welchen beispielsweise
das PTC-Widerstandselement in Form von Bahnen des mindestens einen Zuleitungsmaterials
aufgedruckt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung und eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
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2 Temperaturkoeffizienten
und Produkte aus Temperaturkoeffizient und spezifischer Leitfähigkeit für
eine Auswahl von dem Stand der Technik entsprechenden und erfindungsgemäßen
Zuleitungsmaterialien;
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3A ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Elektrodenzuleitung mit einer Haupt- und einer Nebenleitung, unter
Verwendung von PTC-Widerstandselementen und NTC-Widerstandselementen; und
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3B ein
Ersatzschaltbild der Elektrodenzuleitung gemäß 3A.
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In
1 ist
ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung
110 stark schematisiert dargestellt. Die
Sensoranordnung umfasst ein Sensorelement
112, welches
beispielsweise gemäß dem in
DE 101 00 599 A1 gezeigten
Sensorelement ausgestaltet sein kann, so dass weitgehend auf die Beschreibung
dieser Schift verwiesen werden kann. Zusätzlich ist das
erfindungsgemäße Sensorelement
112 jedoch
durch Ausgestaltung der Elektrodenzuleitungen gemäß der
Erfindung modifiziert (siehe unten). Neben dem Sensorelement
112 umfasst
die Sensoranordnung
110 eine Steuerung
114, welche
beispielsweise ganz oder teilweise Bestandteil einer Motorsteuerung
sein kann. Diese Steuerung kann beispielsweise einen oder mehrere
Mikrocomputer, elektrische Bauelemente wie Strom- und/oder Spannungsquellen,
Strom- und/oder Spannungsmesser, Regelvorrichtungen und ähnliches
enthalten. Als Ausführungsbeispiel für eine derartige Steuerung
kann beispielsweise auf
Robert Bosch GmbH: „Sensoren
im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe 2001, Seiten 116 bis 117 verwiesen
werden.
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Das
Sensorelement 112 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
drei Elektroden, welche lediglich schematisch dargestellt sind.
Eine erste Elektrode 116 ist auf einer einem Messgasraum 118,
in welchem eine Gasgemischzusammensetzung gemessen werden soll,
zugewandten Seite des Sensorelements 112 angeordnet. Die
erste Elektrode 116 kann diesem Messgasraum 118 beispielsweise
direkt ausgesetzt sein oder durch eine dünne, poröse
Schutzschicht, wie beispielsweise eine Aluminiumoxid-Schutzschicht,
geschützt sein.
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Die
erste Elektrode 116 ist auf einem Festelektrolyten 120 aufgebracht.
Auf der gegenüberliegenden Seite dieses Festelektrolyten 120 ist
eine zweite Elektrode 122 in einem Elektrodenhohlraum 124 angeordnet. Diese
zweite Elektrode 122 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zweigeteilt ausgestaltet, wobei die Teilelektroden miteinander elektrisch
verbunden sind. Die erste Elektrode 116, der Festelektrolyt 120 und
die zweite Elektrode 122 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 126.
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Im
Gegensatz zur ersten Elektrode 116, welche dem Messgasraum 118 unmittelbar
ausgesetzt ist, kann die zweite Elektrode 122 über
ein Gaszutrittsloch 128 mit Gas beaufschlagt werden. Das
Gaszutrittsloch 128 steht mit einer Diffusionsbarriere 130 in
Verbindung, welche beispielsweise aus einem porösen keramischen
Material hergestellt sein kann und welche den Elektrodenhohlraum 124 gegenüber
dem Gaszutrittsloch 128 trennt. Aus dem Messgasraum 118 nachströmendes
Gas muss durch diese Diffusionsbarriere 130 hindurchtreten.
Die Porosität dieser Diffusionsbarriere 130 bestimmt
somit wesentlich die statische Druckabhängigkeit der Messsignale
des Sensorelements 112, da in dieser Diffusionsbarriere 130 die
Mechanismen der Gasphasendiffusion und der Knudsendiffusion miteinander
konkurrieren. Um die Gasphasendiffusion gegenüber der Knudsendiffusion
zu bevorzugen und somit um die statische Druckabhängigkeit
zu senken, bestehen Ansätze darin, den Porenradius der
Poren in der Diffusionsbarriere 130 zu vergrößern.
Diese Maßnahme bedingt jedoch eine höhere Temperaturabhängigkeit
des Diffusionsgrenzstroms.
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Neben
der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 122 weist
das Sensorelement 112 weiterhin eine dritte Elektrode 132 auf.
Diese dritte Elektrode 132 ist in einem Referenzluftkanal 134 angeordnet,
welcher beispielsweise als urgefüllter Referenzluftkanal
und/oder als mit einem ganz oder teilweise gasdurchlässigen porösen
Medium ausgefüllter Referenzluftkanal ausgestaltet sein
kann. Auch der Elektrodenhohlraum 124 kann auf diese Weise
ungefüllt oder mit einem gasdurchlässigen Medium
ausgestaltet sein. Der Referenzluftkanal 134 ist mit einem
in 1 nicht dargestellten Referenzluftraum mit bekannter
Zusammensetzung des Gasgemischs verbunden, beispielsweise einem
Motorraum des Kraftfahrzeugs, in welchem beispielsweise Luft unter
Normalbedingungen vorliegt. Auf diese Weise dient die dritte Elektrode 132 als
Referenzelektrode, da diese einem Gasgemisch mit bekannter Gasgemischzusammensetzung
ausgesetzt ist. Die dritte Elektrode 132 ist wiederum über
einen Festelektrolyten 120 mit der zweiten Elektrode 122 in
dem Elektrodenhohlraum 124 verbunden, so dass die zweite
Elektrode 122, welche als Nernstelektrode wirkt, gemeinsam
mit der Referenzelektrode 132 eine Nernstzelle 136 bildet.
Die Steuerung 114 kann beispielsweise derart eingerichtet
sein, dass über die Nernstzelle 136 eine bestimmte
Gasgemischzusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 124 eingestellt
wird. So kann beispielsweise der Pumpstrom durch die Pumpzelle 126 derart
geregelt werden, dass, gemessen durch die Nernstzelle 136,
stets die Bedingung λ = 1 in dem Elektrodenhohlraum 124 herrscht.
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Weiterhin
umfasst das Sensorelement 112 in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ein Heizelement 138. Dieses
Heizelement 138, welches in 1 lediglich
symbolisch dargestellt ist, kann beispielsweise ebenfalls mit der
Steuerung 114 verbunden sein. Die Steuerung 114 kann
eine Temperaturregelung umfassen, um die Temperaturabhängigkeit
des Diffusionsgrenzstroms in dem Sensorelement 112 zumindest
weitgehend zu kompensieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise
die Steuerung 114 derart eingerichtet sein, dass das Heizelement 138 derart
angesteuert wird, dass der Innenwiderstand dieses Heizelements 138 stets einen
konstanten Wert annimmt. Alternativ oder zusätzlich kann
die Steuerung jedoch auch derart eingerichtet sein, dass der Innenwiderstand
der Pumpzelle 126 oder, alternativ oder zusätzlich,
vorzugsweise der Nernstzelle 136 konstant gehalten wird.
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Dieser
Innenwiderstand wird jedoch maßgeblich beeinflusst durch
Temperaturabhängigkeiten der elektrischen Eigenschaften
von Elektrodenzuleitungen
140,
142 und
144,
welche in
1 lediglich symbolisch angedeutet
sind. Wenn der Innenwiderstand der Nernstzelle
136 überwacht
wird, sind insbesondere die zweite Elektrodenzuleitung
142 zur
zweiten Elektrode
122 sowie die dritten Elektrodenzuleitung
144 zur
Kontaktierung der Referenzelektrode
132 von Bedeutung.
Diese Elektrodenzuleitungen
140,
142,
144,
welche beispielsweise gegenüber dem Festelektrolyt
120 elektrisch
isoliert sind, werden üblicherweise aus Platin hergestellt und
beispielsweise durch Aufdrucken einer Platinpaste auf Festelektrolytschichten
120 bzw.
Isolationsschichten auf dem Festelektrolyten
120 (in
1 nicht
dargestellt) hergestellt. Die Elektrodenzuleitungen
140,
142,
144 müssen
jedoch aus einem Gehäuse des Sensorelements
112,
welches in
1 nicht dargestellt ist, herausgeführt
werden. Insbesondere umfasst dieses Gehäuse in der Regel
einen Sechskant, mittels dessen das Sensorelement
112 beispielsweise
in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine aufgenommen werden kann.
Es sei diesbezüglich beispielsweise auf
Robert
Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe 2001,
Seite 117 verwiesen, in welcher Ausführungsbeispiele
eines derartigen Gehäuses dargestellt sind. Aufgrund dieser
Ausgestaltungen enthält der überwachte Innenwiderstand,
beispielsweise der Innenwiderstand der Nernstzelle
136,
somit einen Anteil, welcher von der Gehäusetemperatur,
beispielsweise der Sechskanttemperatur, abhängt. Die Leitfähigkeit
der üblicherweise verwendeten Platinzuleitungen hat jedoch
einen positiven Temperaturkoeffizienten von ca. 0,004/K. Da das
in
1 dargestellte Sensorelement
112 vorzugsweise
für Dieselanwendungen, also im leicht mageren Luftzahlbereich,
eingesetzt wird und üblicherweise auf einen Innenwiderstand
von ca. 100 Ohm geregelt werden soll, ist diese Änderung
des Innenwiderstands bereits kritisch und kann einen Fehler in der
Kennlinie von bis zu 1% verursachen. Wie oben dargestellt, ist es
daher besonders bevorzugt, alle, mehrere oder zumindest eine der
Elektrodenzuleitungen
140,
142,
144 zumindest teilweise
aus einem erfindungsgemäßen Zuleitungsmaterial
herzustellen, welches die oben beschriebene Bedingung erfüllt.
In Tabelle 1 und in
2 sind Beispiele elektrischer
Eigenschaften verschiedener Elektrodenmaterialien dargestellt.
| Zuleitungsmaterial | Pt | 10 Rh/Pt | 20 Rh/Pt | ZGSPt | ZGS
10 Rh/Pt | 20
Ir/Pt | Pd | Au |
| Spezifischer
Widerstand ρ in 10–6Ω·m | 0,106 | 0,192 | 0,208 | 0,1112 | 0,212 | 0,32 | 0,11 | 0,0244 |
| Temperaturkoeffizient κ in
1/K | 0,0039 | 0,0017 | 0,0014 | 0,0031 | 0,0016 | 0,002 | 0,0033 | 0,0039 |
| Produkt ρ·κ in 10–10 Ω·m/K | 4,134 | 3,264 | 2,912 | 3,4472 | 3,392 | 6,4 | 3,63 | 0,9516 |
Tabelle
1: elektrische Kenngrößen verschiedener Zuleitungsmaterialien
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Dabei
sind in Tabelle 1 und in 2 verschiedene Beispiele dargestellt,
welche nicht alle die erfindungsgemäße Bedingung
erfüllen. Dargestellt sind Werte für die Zuleitungsmaterialien
Platin (Pt), eine 10%ige Rhodium-Platin-Legierung (10 Rh/Pt) eine
20%ige Rhodium-Platin-Legierung (20 Rh/Pt), Zirkon-kornstabilisiertes
Platin (ZGSPt), eine Zirkon-kornstabilisierte 10%ige Rhodium-Platin-Legierung
(ZGS 10 Rh/Pt), eine 20%ige Iridium-Platin-Legierung (20 Ir/Pt),
reines Palladium (Pd) und Gold (Au). Aufgetragen sind dabei jeweils
der spezifische Widerstand ρ in 10–6 Ω·m,
der Temperaturkoeffizient κ in 1/K und das Produkt ρ·κ in
Einheiten von 10–10 Ω·m/K.
In 2 sind lediglich der Temperaturkoeffizient κ der
elektrischen Leitfähigkeit (Bezugsziffern 146,
linke Skala) und das Produkt der Temperaturkoeffizienten und des
spezifischen Widerstands (Bezugsziffer 148, rechte Skala)
aufgetragen.
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Wie
in der Messtechnik üblich, können beispielsweise
die Elektrodenzuleitungen 140, 142 und 144 ganz
oder teilweise möglichst breit und dick, also mit einem
hohen Querschnitt, ausgeführt werden, um den Widerstandsanteil
des Innenwiderstands durch die Elektrodenzuleitungen zu verkleinern.
Hieraus resultiert jedoch ein hoher Verbrauch an Edelmetallen, was
aus Kostengründen unerwünscht ist. Insofern wird
erfindungsgemäß das Produkt aus dem Temperaturkoeffizienten κ und
dem spezifischen Widerstand, welches eine entscheidende Größe
für den Bedarf an Edelmetall darstellt, minimiert.
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Wie
aus Tabelle 1 und 2 ersichtliche ist, sind manche
der dargestellten Legierungen, wie beispielsweise 20 Ir/Pt, trotz
eines geringen Temperaturkoeffizienten aufgrund des hohen spezifischen
Widerstands nicht zielführend. Aus den dargestellten Metallen
und Metalllegierungen erfüllen lediglich 10 Rh/Pt, 20 Rh/Pt,
ZGSPt, ZGS 10 Rh/Pt, Pd und Au die genannte Bedingung, dass das
Produkt aus spezifischem Widerstand und Temperaturkoeffizient kleiner
sein soll als 4·10–10 Ω·m/K.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Gold, da Gold zwar einen
zu Platin im Wesentlichen identischen Temperaturkoeffizienten κ aufweist,
das Produkt aus spezifischem Widerstand und Temperaturkoeffizient
jedoch sogar unterhalb von 1·10–10 Ω·m/K liegt.
Gold weist also ein optimales Verhältnis von Temperaturkoeffizient
und spezifischem Widerstand auf. Aufgrund des Einsatzes von Gold
im Zuleitungsbereich, vorzugsweise für die gesamte Elektrodenzuleitung 140, 142, 144,
welcher im Betrieb in beispielsweise einem Dieselmotor im Mittel
nur Temperaturen von 200 bis 400°C ausgesetzt ist, bereitet
auch eine Dauerbeständigkeit dieses Elektrodenmaterials
keine Probleme. Sollten dennoch höhere Temperaturen auftreten,
beispielsweise Temperaturen von oberhalb 400°C im Bereich
der erfindungsgemäß ausgestalteten Elektrodenzuleitung 140, 142, 144,
so kann diese Elektrodenzuleitung auch abschnittsweise aus einem
temperaturbeständigen Material hergestellt werden, beispielsweise
Platin oder eine Platinlegierung. So kann beispielsweise die Elektrodenzuleitung 140, 142, 144 einen
ersten, der jeweiligen Elektrode 116, 122, 132 benachbarten
Elektrodenzuleitungsabschnitt aufweisen, welcher nicht erfindungsgemäß ausgestaltet
ist und welcher beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung
als Zuleitungsmaterial umfasst. An diesen ersten Zuleitungsabschnitt
kann sich dann hin zu beispielsweise zu einem Anschlusskontakt (in 1 nicht
dargestellt) ein zweiter Elektrodenzuleitungsabschnitt anschließen,
welcher erfindungsgemäß ausgestaltet ist mit einem
erfindungsgemäßen Zuleitungsmaterial. Auf diese
Weise kann beispielsweise der erste Zuleitungsabschnitt im Bereich
der „Hot Spots” weiterhin aus Platin hergestellt
werden, beispielsweise gedruckt werden mittels einer Platinpaste.
Im Rahmen der in 1 dargestellten Sensoranordnung 110 mit
einem Referenzluftkanal 134, welche in der Regel nicht
auf eine präzise Nernstspannungsmessung angewiesen ist,
können auch eventuelle Kontaktpotentiale unterschiedlicher
Zuleitungsmaterialien bzw. Zuleitungsabschnitte vernachlässigbar
sein.
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In
den 3A und 3B ist
eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Elektrodenzuleitungen 140, 142, 144 dargestellt,
welche sich besonders vorteilhaft mit den genannten Zuleitungsmaterialien,
die die erfindungsgemäße Bedingung erfüllen,
kombinieren lässt. Dabei zeigt 3A eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektrodenzuleitung 140, 142, 144,
und 3B zeigt ein Ersatzschaltbild dieser Elektrodenzuleitung.
Dabei kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung
auf eine, mehrere oder alle der Elektrodenzuleitungen 140, 142 und 144 in 1 angewandt
werden. Besonders bevorzugt ist wiederum die Anwendung insbesondere
auf die zweite Elektrodenzuleitung 142 und/oder die dritte
Elektrodenzuleitung 144, da diese den Innenwiderstand der
Nernstzelle 136 mitbestimmen.
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Die
erfindungsgemäße Elektrodenzuleitung 140, 142, 144 umfasst
eine Hauptleitung 150, welcher abschnittsweise eine Nebenleitung 152 parallel
geschaltet ist. Die Hauptleitung umfasst dabei ein erstes PTC-Widerstandselement 154,
nämlich eine Bahn des erfindungsgemäßen
Zuleitungsmaterials. Die Nebenleitung 152 hingegen umfasst
eine Kombination eines zweiten PTC-Widerstandselements 156 und
von NTC-Widerstandselementen 158. Das zweite PTC-Widerstandselement 156 kann
beispielsweise wiederum durch eine Leiterbahn des erfindungsgemäßen
Zuleitungsmaterials realisiert werden. Diese wird jedoch durch einen
Abschnitt eines Folienbinders (160), beispielsweise aus
Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid, von der Leiterbahn der Hauptleitung 150 getrennt.
Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid wirkt dabei also als NTC-Widerstandselement 158,
da dieses mit steigender Temperatur eine erhöhte Leitfähigkeit
aufweist. Im Ersatzschaltbild in 3B lässt
sich erkennen, dass sich dieses Verhalten und der in 3A dargestellte
Aufbau dadurch charakterisieren lässt, dass dem zweiten
PTC-Widerstandselement 156 mehrere derartiger NTC-Widerstandselemente 158 nachgeschaltet
sind, welche ihrerseits zueinander parallel geschaltet sind und
das zweite PTC-Widerstandselement 156 wieder mit der Hauptleitung 150 verbinden.
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Das
in 3A und 3B gezeigte
Ausführungsbeispiel stellt lediglich ein mögliches
Ausführungsbeispiel einer Kombination von Zuleitungen mit
erfindungsgemäßen positivem PTC-Widerstandselementen und
NTC-Widerstandselementen dar. Auch andere Kombinationen sind denkbar.
Vorteilhaft an der dargestellten Ausführung ist, dass,
beispielsweise durch entsprechende Wahl der Dicke der Leiterbahnen
und/oder des Folienbinders 160, die PTC- und NTC-Widerstandselemente
derart aufeinander abgestimmt werden können, dass, zumindest
im üblichen Temperaturbereich der Elektrodenzuleitungen 140, 142, 144 während
des Betriebs, sich die Effekte der PTC-Widerstandselemente und der
NTC-Widerstandselemente gegenseitig weitgehend kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10101351
A1 [0007, 0009, 0013]
- - DE 10100599 A1 [0007, 0009, 0023]
- - DE 19837607 A1 [0011]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 1. Ausgabe,
Juni 2001, S. 116–117 [0004]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”,
1. Ausgabe, 2001, Seiten 116 bis 117 [0010]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”,
1. Ausgabe 2001, Seiten 116 bis 117 [0023]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”,
1. Ausgabe 2001, Seite 117 [0029]