DE102013204463A1

DE102013204463A1 - Sensor device and method for detecting a gas in a gas mixture

Info

Publication number: DE102013204463A1
Application number: DE201310204463
Authority: DE
Inventors: Philipp Nolte; Richard Fix; Denis Kunz; Andreas Krauss; Kathy Sahner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-18
Also published as: WO2014139764A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (100) zum Erfassen eines Gases (118) in einem Gasgemisch (110). Die Sensorvorrichtung (100) umfasst eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (111) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110), eine Referenzelektrode (104), einen Elektrolyten (106), der zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108), die auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche (114) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (116) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110) ausgebildet ist. Bei einer Sensorgeometrie nach dem Schema einer Breitband-Lambdasonde kann das Gasgemisch an der Messoberfläche an der Messelektrode durch eine Sauerstoffpumpzelle modifiziert sein. Dies entspricht einem elektrochemischen Abpumpen oder Einpumpen von Sauerstoff.The invention relates to a sensor device (100) for detecting a gas (118) in a gas mixture (110). The sensor device (100) comprises a measuring electrode (102) having a measuring surface (111) for coming into contact with the gas mixture (110), a reference electrode (104), an electrolyte (106) arranged between the measuring electrode (102) and the reference electrode (104) is arranged, and a diffusion-limiting cover layer (108) which is arranged on a surface (112) of the reference electrode (104) facing away from the electrolyte (106), wherein an inner surface (114) of the cover layer (108). the reference electrode (104) is contacted and an outer surface (116) of the cover layer (108) is formed for coming into contact with the gas mixture (110). With a sensor geometry according to the scheme of a broadband lambda probe, the gas mixture at the measuring surface at the measuring electrode can be modified by an oxygen pumping cell. This corresponds to an electrochemical pumping or pumping in of oxygen.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, auf ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch sowie auf ein entsprechendes Steuergerät.The present invention relates to a sensor device for detecting a gas in a gas mixture, to a method for detecting a gas in a gas mixture and to a corresponding control device.

Bestandteile von Lambdasonden, in der Ausführung sowohl als Sprung- als auch als Breitbandsonde, sind eine Referenzelektrode und eine Messelektrode, die mit einem Elektrolyten in Verbindungen stehen. Im Betrieb der Lambdasonde werden elektrische Spannungen der Referenzelektrode gegenüber der Messelektrode bewertet. Zur Referenzelektrode wird elektrochemisch Sauerstoff gepumpt, der auf der Referenzseite austritt. Herkömmlicherweise ist die Referenzelektrode entweder über einen Luftreferenzkanal der Luftseite zugewandt oder im Inneren des keramischen Sensors eingebracht und ist dabei von einer porösen Schicht umgeben. In letzterem Fall wird zur Vermeidung eines kritischen Überdrucks im Inneren des Sensors der Sauerstoff über die poröse Schicht auf die Luftseite geleitet und tritt dort aus dem Sensorelement aus.Components of lambda probes, in the design both as a jump and as a broadband probe, are a reference electrode and a measuring electrode, which are in communication with an electrolyte. During operation of the lambda probe, electrical voltages of the reference electrode relative to the measuring electrode are evaluated. To the reference electrode is electrochemically pumped oxygen, which exits on the reference side. Conventionally, the reference electrode either faces the air side via an air reference channel or is introduced inside the ceramic sensor and is surrounded by a porous layer. In the latter case, in order to avoid a critical overpressure in the interior of the sensor, the oxygen is conducted via the porous layer to the air side, where it exits from the sensor element.

Die Schrift „Sauberes Abgas durch Keramiksensoren“, Thorsten Baunach, Katharina Schänzlin und Lothar Diehl, Physik Journal 5 2006 (5), pp 33 ff . offenbart einen Gassensor nach dem Sprung- und nach dem Breitbandprinzip. Der Gassensor weist eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer Referenzelektrode und einer Messelektrode auf. Bei der Sprungsonde steht die Messelektrode mit dem Abgas in Kontakt. Bei einer Breitbandsonde mit dem Gas im Hohlraum, wobei es sich in der Regel um das Abgas handelt, das durch ein- oder Auspumpen von Sauerstoff an der Sauerstoffpumpzelle modifiziert wurde.The font "Clean exhaust gas through ceramic sensors", Thorsten Baunach, Katharina Schänzlin and Lothar Diehl, Physik Journal 5 2006 (5), pp 33 ff , discloses a gas sensor according to the jump and the broadband principle. The gas sensor has an electrochemical cell with at least one reference electrode and a measuring electrode. In the jumping probe, the measuring electrode is in contact with the exhaust gas. In a broadband probe with the gas in the cavity, which is usually the exhaust gas, which was modified by pumping in or out of oxygen at the oxygen pumping cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch sowie ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides a sensor device for detecting a gas in a gas mixture, a method for detecting a gas in a gas mixture, and a controller using this method according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Der Einsatz einer gepumpten Referenzelektrode mit einer diffusionsbegrenzenden Schicht bzw. einem diffusionsbegrenzenden Schichtsystem in einem Sensor zur Gasmessung ermöglicht eine Trennung der Referenzelektrode von einem Gasgemisch wie beispielsweise Abgas. Dadurch kann sowohl auf einen Kontakt der Referenzelektrode mit Luft über einen Luftkanal als auch auf eine Ableitung eines gepumpten Gases, z. B. Sauerstoff, auf die Luftseite verzichtet werden.The use of a pumped reference electrode with a diffusion-limiting layer or a diffusion-limiting layer system in a sensor for gas measurement enables separation of the reference electrode from a gas mixture such as exhaust gas. As a result, both a contact of the reference electrode with air via an air channel and on a derivative of a pumped gas, for. As oxygen, can be dispensed with the air side.

Mit dem hier vorgestellten Konzept kann der Aufbau des Sensors vereinfacht werden. Zudem ist es nicht mehr erforderlich, den Sensor so in einem Gehäuse zu positionieren, dass er teilweise auf der Luftseite steht.With the concept presented here, the structure of the sensor can be simplified. In addition, it is no longer necessary to position the sensor in a housing so that it is partially on the air side.

Eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch weist die folgenden Merkmale auf:
eine Messelektrode mit einer Messoberfläche zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch oder einer modifizierten Form des Gasgemisches;
eine Referenzelektrode;
einen Elektrolyten, der zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode angeordnet ist; und
eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht, die auf einer von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche der Abdeckschicht die Referenzelektrode kontaktiert und eine äußere Oberfläche der Abdeckschicht zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch ausgebildet ist.A sensor device for detecting a gas in a gas mixture has the following features:
a measuring electrode having a measuring surface for coming into contact with the gas mixture or a modified form of the gas mixture;
a reference electrode;
an electrolyte disposed between the measuring electrode and the reference electrode; and
a diffusion-limiting cap layer disposed on a surface of the reference electrode remote from the electrolyte, wherein an inner surface of the cap layer contacts the reference electrode, and an outer surface of the cap layer is formed to come into contact with the gas mixture.

Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise zur Abgasmessung in einem Fahrzeug eingesetzt werden und als eine Lambdasonde oder Teil einer Lambdasonde ausgebildet sein. Das Gasgemisch kann u. a. Sauerstoff und gasförmige Reste von verbranntem Kraftstoff zum Betrieb des Fahrzeugs umfassen. Die Sensorvorrichtung kann zur Bestimmung eines Anteils des Gases an dem Gasgemisch eingesetzt werden. Dazu kann das Gasgemisch in einem Gasstrom an der Sensorvorrichtung vorbeigeführt werden, beispielsweise in einem Luftkanal. Die Messelektrode und die Referenzelektrode können aus Metall bestehen oder Metall umfassen. Die Messelektrode kann so angeordnet sein, dass ihre Messoberfläche dem an der Sensorvorrichtung vorbeiströmenden Gasgemisch möglichst direkt ausgesetzt ist. Dies ist bei einer Sprungsonde der Fall. Bei einer Breitbandsonde kann die Messelektrode in einem Hohlraum angeordnet sein, der von einer Diffusionsbarriere von dem an der Sensorvorrichtung vorbeiströmenden Gasgemisch getrennt sein kann. Im Fall eines Sensors nach dem Schema einer Breitband-Lambdasonde kann das Gasgemisch an der Messelektrode durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff, aufgrund der Funktion der Sauerstoffpumpzelle, modifiziert sein und somit als modifiziertes Gasgemisch vorliegen. Somit kann das Gas an der Messelektrode, die einer Nernstelektrode bei Breitbandlambdasensoren entspricht, nicht die gleiche Zusammensetzung haben, wie das Gasgemisch selbst.The sensor device can be used for example for measuring the exhaust gas in a vehicle and be designed as a lambda probe or part of a lambda probe. The gas mixture can u. a. Oxygen and gaseous residues of burned fuel for operation of the vehicle include. The sensor device can be used to determine a proportion of the gas in the gas mixture. For this purpose, the gas mixture can be guided past the sensor device in a gas stream, for example in an air channel. The measuring electrode and the reference electrode may be made of metal or comprise metal. The measuring electrode can be arranged so that its measuring surface is exposed as directly as possible to the gas mixture flowing past the sensor device. This is the case with a jump probe. In a broadband probe, the measuring electrode can be arranged in a cavity, which can be separated from a diffusion barrier by the gas mixture flowing past the sensor device. In the case of a sensor according to the scheme of a broadband lambda probe, the gas mixture may be modified at the measuring electrode by pumping or pumping of oxygen, due to the function of the oxygen pumping cell, and thus be present as a modified gas mixture. Thus, the gas at the measuring electrode corresponding to a Nernst electrode in broadband lambda sensors may not have the same composition as the gas mixture itself.

Unter der Messoberfläche kann ein Abschnitt einer Außenfläche der Messelektrode verstanden werden, die die gleiche Materialzusammensetzung wie die restliche Messelektrode aufweist. Eine der Messoberfläche gegenüberliegende Fläche der Messelektrode kann fest mit dem Elektrolyten verbunden sein. Eine der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche der Referenzelektrode kann fest mit dem Elektrolyten verbunden sein. Die Abdeckschicht kann beispielsweise ein Keramikmaterial aufweisen. Die Porosität der Abdeckschicht kann durch eine Vielzahl von regelmäßig oder unregelmäßig verteilten und zumindest teilweise untereinander verbundenen, kleinen Hohlräumen in der Abdeckschicht gebildet werden. Die diffusionsbegrenzende oder poröse Abdeckschicht kann so auf der Referenzelektrode aufgebracht sein, dass sie die Referenzelektrode abgesehen von einem an den Elektrolyten angrenzenden Bereich vollumfänglich von dem Gasgemisch trennt. Auf diese Weise kann die Referenzelektrode nicht im direkten Kontakt mit dem Gasgemisch stehen, sonder durch die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht von dem Gasgemisch getrennt sein. Die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht kann eine geringe Durchlässigkeit für Gas aufweisen. Beispielsweise kann ein sich im Pumpbetrieb der Sensorvorrichtung an einer Grenzfläche zwischen der Referenzelektrode und der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht ansammelndes Gas aufgrund der Porosität der Abdeckschicht langsam durch die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht abgeleitet werden. Aufgrund der geringen Gasdurchlässigkeit der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht kann zum einen ein Gasdepot im Bereich der Referenzelektrode gebildet werden und zum anderen kann ein durch das Gas entstehender Überdruck im Bereich der Referenzelektrode verhindert werden. Bei dem Elektrolyten kann es sich beispielsweise um einen Festkörperelektrolyten handeln. Die Anordnung aus der Messelektrode, der Referenzelektrode und dem Elektrolyt kann in der Sensorvorrichtung zum Erzeugen eines Stromflusses von der Messelektrode zu der Referenzelektrode sowie von der Referenzelektrode zu der Messelektrode eingesetzt werden.Under the measuring surface can be understood a portion of an outer surface of the measuring electrode which has the same material composition as the rest of the measuring electrode. One of the measuring surface opposite surface of the measuring electrode may be firmly connected to the electrolyte. One of the opposite surface of the reference electrode from the electrolyte surface may be firmly connected to the electrolyte. The covering layer may for example comprise a ceramic material. The porosity of the cover layer may be formed by a plurality of regularly distributed or irregularly distributed and at least partially interconnected, small cavities in the cover layer. The diffusion-limiting or porous covering layer can be applied to the reference electrode in such a way that, apart from an area adjacent to the electrolyte, it completely separates the reference electrode from the gas mixture. In this way, the reference electrode can not be in direct contact with the gas mixture, but separated by the diffusion-limiting cover layer of the gas mixture. The diffusion-limiting cover layer may have a low gas permeability. For example, due to the porosity of the cover layer, a gas accumulating in the pumping operation of the sensor device at an interface between the reference electrode and the diffusion-limiting cover layer can be slowly dissipated through the diffusion-limiting cover layer. Due to the low gas permeability of the diffusion-limiting cover layer, on the one hand, a gas depot in the region of the reference electrode can be formed and, on the other hand, an overpressure arising in the region of the reference electrode can be prevented. The electrolyte may be, for example, a solid electrolyte. The arrangement of the measuring electrode, the reference electrode and the electrolyte can be used in the sensor device for generating a current flow from the measuring electrode to the reference electrode and from the reference electrode to the measuring electrode.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Messoberfläche der Messelektrode auf einer dem Elektrolyten abgewandten Seite mit einer porösen Schicht überzogen. Grundsätzlich darf die Messelektrode auch mit einer porösen Schicht überdeckt sein. Gemäß einer Ausführungsform kommt die Messelektrode somit über die poröse Schicht mit dem Gasgemisch in Kontakt. Bei der porösen Schicht kann es sich um eine Schutzschicht handeln.According to one embodiment, the measuring surface of the measuring electrode is coated on a side facing away from the electrolyte with a porous layer. In principle, the measuring electrode may also be covered with a porous layer. According to one embodiment, the measuring electrode thus comes into contact with the gas mixture via the porous layer. The porous layer may be a protective layer.

Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht die von dem Elektrolyten abgewandte Oberfläche der Referenzelektrode vollständig abdecken. Beispielsweise kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht so auf der Referenzelektrode aufgebracht sein, dass sie sich über die von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode hinaus auf eine Oberfläche des an die Referenzelektrode angrenzenden Elektrolyten erstreckt. Damit kann sichergestellt werden, dass die Referenzelektrode vollständig von dem die Sensorvorrichtung umgebenden Luftkanal getrennt ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht die von dem Elektrolyten abgewandte Oberfläche der Referenzelektrode nur teilweise abdecken.According to one embodiment of the sensor device, the diffusion-limiting cover layer can completely cover the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte. For example, the diffusion-limiting cover layer may be applied to the reference electrode in such a way that it extends beyond the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte onto a surface of the electrolyte adjacent to the reference electrode. This can ensure that the reference electrode is completely separated from the air channel surrounding the sensor device. According to a further embodiment, the diffusion-limiting cover layer can only partially cover the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte.

Der Elektrolyt kann leitend für Ionen des Gases ausgebildet sein. So kann auf einfache Weise ein elektrisches Spannungsgefälle zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode hergestellt werden, das erforderlich ist, um das Gas bzw. dessen Anteil am Gasgemisch erfassen zu können. Insbesondere kann der Elektrolyt auch ausgebildet sein, um Ionen des Gases von der Messelektrode zu der Referenzelektrode zu pumpen, wenn zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode eine Pumpspannung angelegt ist.The electrolyte may be conductive to ions of the gas. Thus, an electrical voltage gradient between the measuring electrode and the reference electrode can be produced in a simple manner, which is necessary in order to be able to detect the gas or its proportion of the gas mixture. In particular, the electrolyte may also be designed to pump ions of the gas from the measuring electrode to the reference electrode when a pumping voltage is applied between the measuring electrode and the reference electrode.

Beispielsweise kann das Gas Sauerstoff repräsentieren und der Elektrolyt leitend für Ionen des Sauerstoffs sein. So kann ohne Weiteres ein Sauerstoffgehalt in einem Abgasgemisch aus einem Motor eines Fahrzeugs ermittelt werden, um festzustellen, ob der Motor gesetzliche Abgasnormen erfüllt. For example, the gas may represent oxygen and the electrolyte may be conductive to ions of oxygen. Thus, an oxygen content in an exhaust gas mixture from an engine of a vehicle can be easily determined to determine whether the engine meets legal emission standards.

Insbesondere kann die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht ausgebildet sein, um im Betrieb der Sensorvorrichtung ein Depot von von der Referenzelektrode abgegebenem Gas an der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode zu bilden. Das an die Referenzelektrode angrenzende Gasdepot kann als Referenzgas verwendet werden, um in einem Messbetrieb der Sensorvorrichtung eine Konzentration des Gases in dem Gasgemisch bestimmen zu können.In particular, the diffusion-limiting cover layer may be formed in order to form a depot of gas emitted by the reference electrode at the surface of the reference electrode facing away from the electrolyte during operation of the sensor device. The gas depot adjacent to the reference electrode can be used as a reference gas in order to be able to determine a concentration of the gas in the gas mixture in a measuring operation of the sensor device.

Beispielsweise kann eine Porosität der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht so ausgebildet sein, dass sowohl ein Austreten des Gases aus der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht als auch ein Eindringen eines weiteren Gases in die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht gehemmt ist. Bei dem weiteren Gas kann es sich um zumindest einen Anteil aus dem die Sensorvorrichtung umgebenden Gasgemisch handeln. Mit dieser Ausführungsform können mit einfachen Mitteln atomare Verbindungen zwischen dem Gas und molekularen Bestandteilen des weiteren Gases verhindert werden und entsprechend das Depot angelegt werden. Die erforderlichen stofflichen Eigenschaften der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht können durch Größe, Anzahl und Verteilung der die Porosität bildenden Hohlräume in der Abdeckschicht auf einfache Weise bereitgestellt werden. Auch über eine insgesamte Dicke der Abdeckschicht kann hier die Depotbildung optimal beeinflusst werden. Da die Porosität der Abdeckschicht gleichzeitig einen geringfügigen Austritt des Gases aus der Abdeckschicht erlaubt, kann als zusätzlicher Effekt ein Abplatzen der Abdeckschicht aufgrund einer zu hohen Gaskonzentration an der von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode wirksam vermieden werden.For example, a porosity of the diffusion-limiting cover layer may be formed such that both leakage of the gas from the diffusion-limiting cover layer and penetration of a further gas into the diffusion-limiting cover layer is inhibited. The additional gas may be at least a portion of the gas mixture surrounding the sensor device. With this embodiment, atomic connections between the gas and molecular constituents of the further gas can be prevented by simple means and the depot can be created accordingly. The required material properties of the diffusion-limiting covering layer can be provided in a simple manner by the size, number and distribution of the porosity-forming cavities in the covering layer. Also over an overall thickness of Covering layer can be optimally influenced here the deposit formation. Since the porosity of the cover layer at the same time allows a slight escape of the gas from the cover layer can be effectively avoided as an additional effect flaking of the cover layer due to a high gas concentration at the remote from the electrolyte surface of the reference electrode.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine Einrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um eine Pumpspannung oder einen Pumpstrom zum Pumpen von Ionen des Gases von der Messelektrode durch den Elektrolyten zu der Referenzelektrode anzulegen und/oder eine zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegende Messspannung abzugreifen, um das Gas zu erfassen. So kann die Ionenbewegung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode auf einfache Weise optimal gesteuert werden. Die Einrichtung kann beispielsweise als eine Spannungsquelle und zusätzlich oder alternativ als eine Spannungsmesseinrichtung oder Strommesseinrichtung ausgeführt sein.According to one embodiment, the sensor device may comprise a device which may be designed to apply a pumping voltage or a pumping current for pumping ions of the gas from the measuring electrode through the electrolyte to the reference electrode and / or to pick off a measuring voltage applied between the measuring electrode and the reference electrode to capture the gas. Thus, the ion movement between the measuring electrode and the reference electrode can be optimally controlled in a simple manner. The device can be designed, for example, as a voltage source and additionally or alternatively as a voltage measuring device or current measuring device.

Ein Sensorsystem umfasst eine Sensorvorrichtung gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen und eine Gasgemischkammer, wobei die Sensorvorrichtung in der Gasgemischkammer angeordnet ist und die Gasgemischkammer ausgebildet ist, um das Gasgemisch entlang der Sensorvorrichtung zu leiten. Insbesondere kann die Gasgemischkammer ausgebildet sein, um das Gasgemisch sowohl in Kontakt mit der Messelektrode als auch in Kontakt mit der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht zu bringen. Somit kann das Gasgemisch entlang der Messelektrode und der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht geleitet werden. Beispielsweise kann das Sensorsystem in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnet sein. Die Gasgemischkammer kann eine erste Öffnung aufweisen, um das Gasgemisch, beispielsweise Abgas aus dem Motorbereich des Fahrzeugs, in das Sensorsystem einzulassen, und eine zweite Öffnung aufweisen, um nach erfolgter Messung durch die in der Gasgemischkammer angeordnete Sensorvorrichtung das Abgas aus dem Sensorsystem auszuleiten. Beispielsweise kann das Sensorsystem eingesetzt werden, um einen Sauerstoffanteil in dem Abgas des Fahrzeugs zu ermitteln. Dazu kann das Sensorsystem Bestandteil einer Lambdasonde oder eines Lambdasensors sein. A sensor system comprises a sensor device according to one of the embodiments explained above and a mixed gas chamber, wherein the sensor device is arranged in the gas mixture chamber and the mixed gas chamber is designed to conduct the gas mixture along the sensor device. In particular, the gas mixture chamber may be configured to bring the gas mixture both in contact with the measuring electrode and in contact with the diffusion-limiting cover layer. Thus, the gas mixture can be passed along the measuring electrode and the diffusion-limiting cover layer. For example, the sensor system can be arranged in an exhaust gas system of a vehicle. The gas mixture chamber may have a first opening for introducing the gas mixture, for example exhaust gas from the engine compartment of the vehicle, into the sensor system, and a second opening for discharging the exhaust gas from the sensor system after measurement by the sensor device arranged in the gas mixture chamber. For example, the sensor system can be used to determine an oxygen content in the exhaust gas of the vehicle. For this purpose, the sensor system may be part of a lambda probe or a lambda sensor.

Zur Funktionssteuerung kann das Sensorsystem mit einem Steuergerät, z. B. einem Zentralsteuergerät des Fahrzeugs, gekoppelt sein. For function control, the sensor system with a control unit, for. B. a central control unit of the vehicle to be coupled.

Ein Verfahren zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch mit einer Sensorvorrichtung, die eine Messelektrode mit einer Messoberfläche, eine Referenzelektrode, einen zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode angeordneten Elektrolyten und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht aufweist, wobei die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht so auf einer von dem Elektrolyten abgewandten Oberfläche der Referenzelektrode angeordnet ist, dass eine innere Oberfläche der Abdeckschicht die Referenzelektrode kontaktiert und eine äußere Oberfläche der Abdeckschicht zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch ausgebildet ist, weist die folgenden Schritte auf:
Leiten des Gasgemisches entlang der Sensorvorrichtung, um die Messoberfläche der Messelektrode mit dem Gasgemisch in Kontakt zu bringen;
Anlegen einer Pumpspannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode, um Ionen des Gases von der Messelektrode zu der Referenzelektrode zu pumpen; und
Abgreifen einer zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegenden Messspannung, um das Gas zu erfassen.A method for detecting a gas in a gas mixture with a sensor device having a measuring electrode with a measuring surface, a reference electrode, an electrolyte disposed between the measuring electrode and the reference electrode and a diffusion-limiting cover layer, wherein the diffusion-limiting cover layer so on a surface facing away from the electrolyte surface the reference electrode is arranged so that an inner surface of the cover layer contacts the reference electrode and an outer surface of the cover layer is formed for coming into contact with the gas mixture comprises the following steps:
Passing the gas mixture along the sensor device to contact the measurement surface of the measurement electrode with the gas mixture;
Applying a pumping voltage between the measuring electrode and the reference electrode to pump ions of the gas from the measuring electrode to the reference electrode; and
Picking a voltage applied between the measuring electrode and the reference electrode measuring voltage to detect the gas.

Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einem im Vorangehenden erläuterten Sensorsystem durchgeführt werden. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The method may be performed in conjunction with a previously discussed sensor system. Also by this embodiment of the invention in the form of a method, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Zusammenhang mit Ausführungsformen der oben erläuterten Sensorvorrichtung durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The present invention further provides a control device which is designed to carry out or implement the steps of the method according to the invention in connection with embodiments of the sensor device explained above. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät 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 des Steuergeräts 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.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktion einer Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a representation for explaining the structure and function of a sensor device for detecting a gas in a gas mixture, according to an embodiment of the present invention;

2 eine Prinzipdarstellung eines Sensorsystems mit einer Gasgemischkammer und der Sensorvorrichtung aus 1, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 2 a schematic diagram of a sensor system with a gas mixture chamber and the sensor device from 1 , according to an embodiment of the present invention; and

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 a flowchart of a method for detecting a gas in a gas mixture, according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter 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.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt anhand einer Darstellung schematisch Aufbau und Funktion eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung 100 zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst eine Messelektrode 102, eine Referenzelektrode 104 sowie einen zwischen der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 angeordneten Elektrolyten 106, der hier als ein Festkörperelektrolyt ausgebildet ist. Die Referenzelektrode 104 ist von einer diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht 108 bedeckt. 1 shows schematically a structure and function of an embodiment of a sensor device based on a representation 100 for detecting a gas in a gas mixture. The sensor device 100 includes a measuring electrode 102 , a reference electrode 104 and one between the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 arranged electrolyte 106 which is formed here as a solid electrolyte. The reference electrode 104 is of a diffusion-limiting cover layer 108 covered.

Die Sensorvorrichtung 100 ist in einem Gasgemisch bzw. Messgas 110 positioniert. Eine Oberfläche der Messelektrode 102 ist als eine Messoberfläche 111 zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch ausgebildet. Wie die Darstellung in 1 zeigt, ist die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht 108 so auf der Referenzelektrode 104 angeordnet, dass sie eine von dem Elektrolyten 106 abgewandte Oberfläche 112 der Referenzelektrode 104 vollständig abdeckt und die Referenzelektrode 104 so physisch vom umgebenden Gasgemisch 110 trennt. Unter der von dem Elektrolyten 106 abgewandte Oberfläche 112 kann hier ein Bereich der Gesamtoberfläche der Referenzelektrode 104 verstanden werden, der nicht von dem Elektrolyten 106 oder einer weiteren gasundurchlässigen Schicht bedeckt ist. Wie die Darstellung zeigt, kontaktiert eine innere Oberfläche 114 der Abdeckschicht 108 die Referenzelektrode 104, während eine äußere Oberfläche 116 der Abdeckschicht 108 wie die Messoberfläche 111 der Messelektrode 102 dem Gasgemisch 110 ausgesetzt ist. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 100 wird zum Erfassen von Sauerstoff 118 in dem Gasgemisch 110 eingesetzt. Entsprechend ist der Elektrolyt 106 hier als ein Sauerstoff-Ionen-Leiter realisiert. Bei dem Gasgemisch 110 handelt es sich hier um Abgas aus einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. The sensor device 100 is in a gas mixture or measuring gas 110 positioned. A surface of the measuring electrode 102 is as a measurement surface 111 designed to come into contact with the gas mixture. Like the illustration in 1 shows is the diffusion-limiting cover layer 108 so on the reference electrode 104 arranged that they are one of the electrolyte 106 remote surface 112 the reference electrode 104 completely covering and the reference electrode 104 so physically from the surrounding gas mixture 110 separates. Below that of the electrolyte 106 remote surface 112 here can be an area of the total surface of the reference electrode 104 not understood by the electrolyte 106 or another gas impermeable layer is covered. As the illustration shows, an inner surface contacts 114 the cover layer 108 the reference electrode 104 while an outer surface 116 the cover layer 108 like the measurement surface 111 the measuring electrode 102 the gas mixture 110 is exposed. This in 1 shown embodiment of the sensor device 100 is used to capture oxygen 118 in the gas mixture 110 used. The electrolyte is corresponding 106 realized here as an oxygen-ion conductor. In the gas mixture 110 this is exhaust gas from an internal combustion engine of a vehicle.

Über eine nicht gezeigte Einrichtung der Sensorvorrichtung wird ein Strom angelegt, z. B. unter Verwendung einer Stromquelle bzw. regelbaren Spannungsquelle, mit der sich ein Strom einstellen lässt, der so gerichtet ist, dass durch elektrochemisches Pumpen 120 Ionen – hier Sauerstoffionen – von der Messelektrode 102 durch den Elektrolyten 106 zu der Referenz bzw. der Referenzelektrode 104 gepumpt werden. Durch zwei verschiedene Pfeil-Längen wird angedeutet, dass es nicht wesentlich ist, ob der Sauerstoff am Ende des Elektrolyten 106 oder an der äußeren Oberfläche der (ebenfalls porösen) Elektrode austritt 104. So wird, wie die Darstellung in 1 zeigt, durch den Strom ein Depot des Gases 118 – hier Sauerstoff – an der von dem Elektrolyten 106 abgewandten Oberfläche 112 der Referenzelektrode 104 gebildet. Das Gas 118 dient hierbei als Referenzgas. Die Depotbildung des Gases 118 an der Referenzelektrode 104 bewirkt ein elektrisches Potenzial zwischen der Referenzelektrode 104, die aufgrund der Depotbildung von einer hohen Konzentration des Gases 118 umgeben ist, und der Messelektrode 102.Via a device, not shown, of the sensor device, a current is applied, for. B. using a current source or controllable voltage source, with which a current can be adjusted, which is directed so that by electrochemical pumping 120 Ions - here oxygen ions - from the measuring electrode 102 through the electrolyte 106 to the reference or the reference electrode 104 be pumped. Two different arrow lengths indicate that it is not essential if the oxygen is at the end of the electrolyte 106 or on the outer surface of the (also porous) electrode emerges 104 , So, as the illustration in 1 shows, by the stream a depot of the gas 118 - here oxygen - at the of the electrolyte 106 remote surface 112 the reference electrode 104 educated. The gas 118 serves as reference gas. The depot formation of the gas 118 at the reference electrode 104 causes an electrical potential between the reference electrode 104 due to the depot formation of a high concentration of the gas 118 is surrounded, and the measuring electrode 102 ,

Die Spannung zwischen Referenzelektrode 104 und Messelektrode 102 kann abgegriffen werden und liefert damit ein Messergebnis zu dem Sauerstoffgehalt in dem Abgas bzw. Gasgemisch 110 bzw. dem Gas im Hohlraum (Breitbandsonde).The voltage between the reference electrode 104 and measuring electrode 102 can be tapped and thus provides a measurement result to the oxygen content in the exhaust gas or gas mixture 110 or the gas in the cavity (broadband probe).

Wie die Darstellung in 1 zeigt, erlaubt aber beschränkt die Porosität der Abdeckschicht 108 ein mittels eines schräg nach oben gerichteten Pfeils gekennzeichnetes Vordringen 124 eines weiteren Gases 126 zu dem Depot des Sauerstoffs 118 an der Referenzelektrode 104. Bei der in 1 gezeigten Anordnung handelt es sich bei dem weiteren Gas 126 um mindestens ein reduzierendes Gas, das in dem Gasgemisch 110 anteilig vorliegt. Das mindestens eine reduzierende Gas kann auch mehrere Komponenten umfassen, z. B. Kohlenwasserstoff und Wasserstoff gleichzeitig. Über eine mittels eines schräg nach unten gerichteten Pfeils gekennzeichnete Reaktion 128 des Sauerstoffs 118 mit dem reduzierenden Gas 126 wird ein Teil des Sauerstoffs 118 an der Referenzelektrode 104 abgebaut. Ein weiterer Teil des Sauerstoffs 118 kann durch die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht 108 in das Messgas 110 diffundieren, wie es ein weiterer schräg nach unten gerichteter Pfeil 130 in der Illustration kennzeichnet. Like the illustration in 1 shows, but allows limited porosity of the cover layer 108 an advance indicated by an obliquely upward arrow 124 another gas 126 to the depot of oxygen 118 at the reference electrode 104 , At the in 1 The arrangement shown is the other gas 126 at least one reducing gas that is in the gas mixture 110 proportionately present. The at least one reducing gas may also comprise several components, e.g. B. hydrocarbon and hydrogen simultaneously. Via a reaction marked by an obliquely downwards arrow 128 of oxygen 118 with the reducing gas 126 becomes a part of the oxygen 118 at the reference electrode 104 reduced. Another part of the oxygen 118 can through the diffusion-limiting cover layer 108 into the sample gas 110 diffuse, as is another obliquely downward arrow 130 featured in illustration.

Die Darstellung in 1 zeigt, dass – wie bei einer herkömmlichen gepumpten Referenz – der Sauerstoff 118 von der Abgasseite zur Referenz gepumpt wird, wieder aus dem Elektrolyten 106 ausgebaut wird und schließlich die messgaszugewandte gepumpte Referenzelektrode 104 mit der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht 108 umgibt. Da jedoch die Referenzelektrode 104 von der Schicht 108 aus diffusionsbegrenzendem Material bedeckt ist, wird die sofortige Abfuhr des ausgepumpten Sauerstoffs 118 zurück ins Abgas 110 erschwert und gleichzeitig der Zutritt des Abgasanteils 126 auf die Elektrode 104, der zu einem chemischen Abbau des ausgepumpten Sauerstoffs 118 führt, verringert. Voraussetzung für ein Funktionieren der Referenz ist, dass weniger Sauerstoff 118 durch das Abgas 126 chemisch reduziert wird, als aus der Referenzelektrode 104 ausgepumpt wird. Der Gehalt an verbleibendem Sauerstoff 118 an der Referenzelektrode 104 ist umso höher, je niedriger die Porosität der Abdeckschicht 108 und je höher der Pumpstrom 120 zur gepumpten Referenzelektrode 104 ist. Die Abdeckschicht 108 ist gasdurchlässig, damit der sich an der Referenzelektrode 104 aufbauende Sauerstoff-Druck begrenzt bleibt und somit nicht zu einer Ablösung der Schicht 108 führt.The representation in 1 shows that - as with a conventional pumped reference - the oxygen 118 pumped from the exhaust side to the reference, again from the electrolyte 106 is expanded and finally the measuring gas facing pumped reference electrode 104 with the diffusion-limiting cover layer 108 surrounds. However, since the reference electrode 104 from the shift 108 is covered by diffusion-limiting material, the immediate removal of the pumped oxygen 118 back to the exhaust 110 makes it difficult and at the same time the access of the exhaust gas 126 on the electrode 104 that leads to a chemical degradation of the pumped oxygen 118 leads, decreases. Prerequisite for a functioning of the reference is that less oxygen 118 through the exhaust 126 is chemically reduced, than from the reference electrode 104 is pumped out. The content of remaining oxygen 118 at the reference electrode 104 The higher the lower the porosity of the cover layer 108 and the higher the pumping current 120 to the pumped reference electrode 104 is. The cover layer 108 is gas permeable, so that is attached to the reference electrode 104 Oxygen pressure remains limited and thus does not lead to a detachment of the layer 108 leads.

Mit dem anhand der 1 erläuterten Konzept zur Positionierung der Referenzelektrode 104 kann darauf verzichtet werden, die Referenzelektrode 104 über einen Referenzluftkanal in unmittelbarem Kontakt mit Luft, die als Sauerstoffquelle dient, zu bringen. Auch ein diffusionsbegrenzender Kanal, über den bei einer gepumpten Referenzelektrode gepumpter Sauerstoff auf die Luftseite abtransportiert wird, kann entfallen.With the help of the 1 explained concept for positioning the reference electrode 104 can be dispensed with, the reference electrode 104 to bring via a reference air channel in direct contact with air, which serves as an oxygen source. Even a diffusion-limiting channel over which pumped at a pumped reference electrode oxygen is transported to the air side, can be omitted.

Zur besseren Übersichtlichkeit sind in der 1 elektronische Zuleitungen zu den Elektroden 102, 104, mechanische Befestigungen bzw. Gehäuse sowie eine Sensorheizung nicht oder nicht vollumfänglich gezeigt.For better clarity are in the 1 electronic leads to the electrodes 102 . 104 , Mechanical fasteners or housing and a sensor heating not or not fully shown.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Messelektrode 102 noch mit einer porösen Schicht überdeckt sein. According to one embodiment, the measuring electrode 102 be covered with a porous layer.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Sprungsonde ist das Gasgemisch 110 an der Seite der Messelektrode 102 gleich zusammengesetzt wie auf der Seite der Referenzelektrode 112.In one embodiment of a jumping probe, the gas mixture is 110 at the side of the measuring electrode 102 the same composition as on the side of the reference electrode 112 ,

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Sonde mit Pumpzelle (Breitbandlambdasonde) befindet sich die Messelektrode 102 in einem Hohlraum und wird dort als Nernstelektrode bezeichnet. Eine Diffusionsbarriere trennt den Hohlraum vom Messgas 110. Außerdem wird der Hohlraum über eine Sauerstoffpumpzelle vom Messgas 110 getrennt. Durch den Betrieb des Sauererstoffpumpstroms in der Pumpzelle, wodurch Sauerstoff in den Hohlraum gelangt oder aus dem Hohlraum entfernt wird, kann sich die Gaszusammensetzung im Hohlraum vom Gasgemisch 110 unterscheiden. Dieses modifizierte Messgas wird durch die Messung zwischen Referenzelektrode und Nernstelektrode charakterisiert.In one embodiment of a probe with pumping cell (broadband lambda probe), the measuring electrode is located 102 in a cavity, where it is called the Nernst electrode. A diffusion barrier separates the cavity from the sample gas 110 , In addition, the cavity is via an oxygen pump cell from the sample gas 110 separated. By operating the oxygen pumping current in the pumping cell, whereby oxygen enters the cavity or is removed from the cavity, the gas composition in the cavity may become gaseous 110 differ. This modified measuring gas is characterized by the measurement between reference electrode and Nernst electrode.

2 zeigt anhand einer Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 200 mit einer Gasgemischkammer 202 und der Sensorvorrichtung 100 aus 1. Die Gasgemischkammer 202 umschließt die Sensorvorrichtung 100 und ist ausgebildet, um das Gasgemisch 110 entlang der Sensorvorrichtung 100 zu leiten. Beispielsweise weist die Gasgemischkammer 202 eine erste, in der Darstellung nicht gezeigte, Öffnung auf, über die das Gasgemisch 110 in die Gasgemischkammer 202 eingeleitet wird, und eine beispielsweise gegenüberliegende, in der Darstellung ebenfalls nicht gezeigte, zweite Öffnung auf, über die das Gasgemisch nach einer Beströmung der Sensorvorrichtung 100 wieder aus der Gasgemischkammer 202 austritt. 2 shows an exemplary embodiment of a sensor system based on a schematic diagram 200 with a mixed gas chamber 202 and the sensor device 100 out 1 , The mixed gas chamber 202 encloses the sensor device 100 and is adapted to the gas mixture 110 along the sensor device 100 to lead. For example, the gas mixture chamber 202 a first, not shown in the illustration, opening, via which the gas mixture 110 into the mixed gas chamber 202 is introduced, and a for example opposite, also not shown in the illustration, second opening, via which the gas mixture after a flow of the sensor device 100 again from the mixed gas chamber 202 exit.

Die Darstellung in 2 zeigt eine Einrichtung 204 der Sensorvorrichtung 100 auf, die über elektrische Leitungen mit der der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 verbunden ist. Die Einrichtung 204 ist zum einen zur Spannungsversorgung der Sensorvorrichtung 100 ausgebildet. Mithilfe der Einrichtung 204 wird über die elektrischen Leitungen 206 eine Pumpspannung angelegt, um Ionen des zu erfassenden Gases von der Messelektrode 102 durch den Elektrolyten 106 zu der Referenzelektrode 104 zu pumpen. Ferner ist die Einrichtung 204 ausgebildet, um über die Leitungen 206 oder weitere parallel geführte Leitungen eine zwischen der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 anliegende Messspannung oder einen zwischen der Messelektrode 102 und der Referenzelektrode 104 fließenden Messstrom abzugreifen.The representation in 2 shows a device 204 the sensor device 100 on, via electrical lines with the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 connected is. The device 204 is on the one hand to the power supply of the sensor device 100 educated. Using the device 204 is over the electrical wires 206 a pump voltage applied to ions of the gas to be detected from the measuring electrode 102 through the electrolyte 106 to the reference electrode 104 to pump. Furthermore, the device 204 designed to go over the wires 206 or further parallel lines one between the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 applied measuring voltage or one between the measuring electrode 102 and the reference electrode 104 tap off flowing measuring current.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Erfassen eines Gases in einem Gasgemisch. Das Verfahren 300 kann in einem Sensorsystem, wie es anhand der 2 beschrieben ist, ausgeführt werden. In einem Schritt 302 wird ein Gasgemisch entlang einer Sensorvorrichtung geleitet, um eine Messoberfläche einer Messelektrode der Sensorvorrichtung mit dem Gasgemisch in Kontakt zu bringen. Mittels einer entsprechenden Einrichtung der Sensorvorrichtung wird in einem Schritt 304 zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode der Sensorvorrichtung eine Pumpsstrom, z. B. von einer Stromquelle oder einer programmierbaren Spannungsquelle, angelegt, um Ionen eines vordefinierten Gases in dem Gasgemisch von der Messelektrode zu der Referenzelektrode zu pumpen. In einem Schritt 306 wird wiederum mittels der oben erwähnten Einrichtung eine zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode anliegende Messspannung abgegriffen, um das Gas zu erfassen. 3 shows a flowchart of an embodiment of a method 300 for detecting a gas in a gas mixture. The procedure 300 can in a sensor system, as it is based on the 2 is described, executed. In one step 302 For example, a gas mixture is passed along a sensor device in order to bring a measurement surface of a measurement electrode of the sensor device into contact with the gas mixture. By means of a corresponding device of the sensor device is in one step 304 between the measuring electrode and a reference electrode of the sensor device, a pumping current, z. From a current source or a programmable voltage source, to pump ions of a predefined gas in the gas mixture from the measuring electrode to the reference electrode. In one step 306 In turn, by means of the device mentioned above, a measuring voltage applied between the measuring electrode and the reference electrode is tapped in order to detect the gas.

Gassensoren gemäß dem hier vorgestellten Konzept können für die Charakterisierung des Restsauerstoffanteils in Verbrennungsgasen, insbesondere in Verbindung mit einer Sprung-Lambda-Sonde, im Abgas von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Ein Einsatz empfiehlt sich auch bei Verwendung von miniaturisierten Elektrolyten 106, beispielsweise in Form eines Dünnschichtelektrolyts, insbesondere mit dem Zweck, dass sich kein Teil des elektrochemischen Sensorelements auf der Luftseite befindet. Auch eine Verwendung im Zusammenhang mit keramischen Sensoren auf Basis von Dickschichttechnologie ist denkbar, wo durch eine koplanare Anordnung von Referenzelektrode und Messelektrode die Referenzelektrode abgaszugewandt angebracht werden kann. Gas sensors according to the concept presented here can be used for the characterization of the residual oxygen content in combustion gases, in particular in conjunction with a jump lambda probe, in the exhaust gas of internal combustion engines. An insert is also recommended when using miniaturized electrolytes 106 , For example in the form of a thin-film electrolyte, in particular with the purpose that no part of the electrochemical sensor element is located on the air side. A use in connection with ceramic sensors based on thick-film technology is also conceivable, where the reference electrode can be attached facing away from the exhaust gas by a coplanar arrangement of reference electrode and measuring electrode.

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 erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

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.If an exemplary embodiment comprises a "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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

„Sauberes Abgas durch Keramiksensoren“, Thorsten Baunach, Katharina Schänzlin und Lothar Diehl, Physik Journal 5 2006 (5), pp 33 ff [0003] "Clean exhaust gas through ceramic sensors", Thorsten Baunach, Katharina Schänzlin and Lothar Diehl, Physik Journal 5 2006 (5), pp 33 ff [0003]

Claims

Sensorvorrichtung (100) zum Erfassen eines Gases (118) in einem Gasgemisch (110), wobei die Sensorvorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (111) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110) oder einer modifizierten Form des Gasgemisches (110); eine Referenzelektrode (104); einen Elektrolyten (106), der zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordnet ist; und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108), die auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, wobei eine innere Oberfläche (114) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (116) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110) ausgebildet ist.Sensor device ( 100 ) for detecting a gas ( 118 ) in a gas mixture ( 110 ), wherein the sensor device ( 100 ) has the following features: a measuring electrode ( 102 ) with a measuring surface ( 111 ) for coming into contact with the gas mixture ( 110 ) or a modified form of the gas mixture ( 110 ); a reference electrode ( 104 ); an electrolyte ( 106 ), which between the measuring electrode ( 102 ) and the reference electrode ( 104 ) is arranged; and a diffusion-limiting cover layer ( 108 ) located on one of the electrolyte ( 106 ) facing away from the surface ( 112 ) of the reference electrode ( 104 ), wherein an inner surface ( 114 ) of the cover layer ( 108 ) the reference electrode ( 104 ) and an outer surface ( 116 ) of the cover layer ( 108 ) for coming into contact with the gas mixture ( 110 ) is trained.

Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der die Messoberfläche (111) der Messelektrode (102) auf einer dem Elektrolyten (106) abgewandten Seite mit einer porösen Schicht überzogen ist.Sensor device ( 100 ) according to claim 1, wherein the measuring surface ( 111 ) of the measuring electrode ( 102 ) on one of the electrolytes ( 106 ) facing away with a porous layer is coated.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) die von dem Elektrolyten (106) abgewandte Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) vollständig oder teilweise abdeckt. Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the diffusion-limiting covering layer ( 108 ) of the electrolyte ( 106 ) facing away from the surface ( 112 ) of the reference electrode ( 104 ) completely or partially covers.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Elektrolyt (106) leitend für Ionen des Gases (118) ausgebildet ist.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the electrolyte ( 106 ) conductive for ions of the gas ( 118 ) is trained.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Gas (118) Sauerstoff repräsentiert und der Elektrolyt (106) leitend für Ionen des Sauerstoffs ist.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the gas ( 118 ) Represents oxygen and the electrolyte ( 106 ) is conductive for ions of oxygen.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) ausgebildet ist, um im Betrieb der Sensorvorrichtung (100) ein Depot von von der Referenzelektrode (104) abgegebenem Gas (118) an der von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) zu bilden.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the diffusion-limiting covering layer ( 108 ) is designed to operate in the operation of the sensor device ( 100 ) a depot of the reference electrode ( 104 ) discharged gas ( 118 ) at the of the electrolyte ( 106 ) facing away from the surface ( 112 ) of the reference electrode ( 104 ) to build.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine Porosität der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) so ausgebildet ist, dass sowohl ein Austreten des Gases (118) aus der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) als auch ein Eindringen eines weiteren Gases (126) in die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) gehemmt ist.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which a porosity of the diffusion-limiting covering layer ( 108 ) is designed so that both a leakage of the gas ( 118 ) from the diffusion-limiting cover layer ( 108 ) as well as an intrusion of another gas ( 126 ) in the diffusion-limiting cover layer ( 108 ) is inhibited.

Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Einrichtung (204) zum Anlegen einer Pumpspannung oder eines Pumpstroms zum Pumpen von Ionen des Gases (118) von der Messelektrode (102) durch den Elektrolyten (106) zu der Referenzelektrode (104) und/oder zum Abgreifen einer zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) anliegenden Messspannung, um das Gas (118) zu erfassen.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, with a device ( 204 ) for applying a pumping voltage or a pumping current for pumping ions of the gas ( 118 ) from the measuring electrode ( 102 ) through the electrolyte ( 106 ) to the reference electrode ( 104 ) and / or for picking up a between the measuring electrode ( 102 ) and the reference electrode ( 104 ) applied measuring voltage to the gas ( 118 ) capture.

Sensorsystem (200), mit einer Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Gasgemischkammer (202), wobei die Sensorvorrichtung (100) in der Gasgemischkammer (202) angeordnet ist und die Gasgemischkammer (202) ausgebildet ist, um das Gasgemisch (110) entlang der Messelektrode (102) und der diffusionsbegrenzenden Abdeckschicht (108) der Sensorvorrichtung (100) zu leiten. Sensor system ( 200 ), with a sensor device ( 100 ) according to one of claims 1 to 8 and a mixed gas chamber ( 202 ), wherein the sensor device ( 100 ) in the mixed gas chamber ( 202 ) is arranged and the gas mixture chamber ( 202 ) is adapted to the gas mixture ( 110 ) along the measuring electrode ( 102 ) and the diffusion-limiting cover layer ( 108 ) of the sensor device ( 100 ).

Verfahren (300) zum Erfassen eines Gases (118) in einem Gasgemisch (110) mit einer Sensorvorrichtung (100), die eine Messelektrode (102) mit einer Messoberfläche (111), eine Referenzelektrode (104), einen zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) angeordneten Elektrolyten (106) und eine diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) aufweist, wobei die diffusionsbegrenzende Abdeckschicht (108) so auf einer von dem Elektrolyten (106) abgewandten Oberfläche (112) der Referenzelektrode (104) angeordnet ist, dass eine innere Oberfläche (114) der Abdeckschicht (108) die Referenzelektrode (104) kontaktiert und eine äußere Oberfläche (116) der Abdeckschicht (108) zum In-Kontakt-Kommen mit dem Gasgemisch (110) ausgebildet ist, und wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte aufweist: Leiten (302) des Gasgemisches (110) entlang der Sensorvorrichtung (100), um die Messoberfläche (111) der Messelektrode (102) mit dem Gasgemisch (110) in Kontakt zu bringen; Anlegen (304) einer Pumpspannung zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104), um Ionen des Gases (118) von der Messelektrode (102) zu der Referenzelektrode (104) zu pumpen; und Abgreifen (306) einer zwischen der Messelektrode (102) und der Referenzelektrode (104) anliegenden Messspannung, um das Gas (118) zu erfassen.Procedure ( 300 ) for detecting a gas ( 118 ) in a gas mixture ( 110 ) with a sensor device ( 100 ), which has a measuring electrode ( 102 ) with a measuring surface ( 111 ), a reference electrode ( 104 ), one between the measuring electrode ( 102 ) and the reference electrode ( 104 ) arranged electrolyte ( 106 ) and a diffusion-limiting cover layer ( 108 ), wherein the diffusion-limiting cover layer ( 108 ) so on one of the electrolyte ( 106 ) facing away from the surface ( 112 ) of the reference electrode ( 104 ) is arranged such that an inner surface ( 114 ) of the cover layer ( 108 ) the reference electrode ( 104 ) and an outer surface ( 116 ) of the cover layer ( 108 ) for coming into contact with the gas mixture ( 110 ), and wherein the method ( 300 ) has the following steps: conducting ( 302 ) of the gas mixture ( 110 ) along the sensor device ( 100 ) to the measuring surface ( 111 ) of the measuring electrode ( 102 ) with the gas mixture ( 110 ) to bring into contact; Invest ( 304 ) a pumping voltage between the measuring electrode ( 102 ) and the reference electrode ( 104 ) to remove ions of the gas ( 118 ) from the measuring electrode ( 102 ) to the reference electrode ( 104 ) to pump; and tapping ( 306 ) one between the measuring electrode ( 102 ) and the reference electrode ( 104 ) applied measuring voltage to the gas ( 118 ) capture.

Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (300) gemäß Anspruch 10 durchzuführen.Control device that is designed to perform the steps of a method ( 300 ) according to claim 10.