DE102015223700A1

DE102015223700A1 - Sensorelement, Sensorvorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102015223700A1
Application number: DE102015223700.1A
Authority: DE
Inventors: Denis Kunz; Daniel PANTEL; Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01
Also published as: CN106896150A

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110), eine Sensorvorrichtung (166) sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst: • mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer (114), wobei die Einstell- und Erfassungskammer (114) mindestens einen Einstellbereich (116) und mindestens einen Erfassungsbereich (117) aufweist, wobei der Einstellbereich (116) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist; • mindestens eine Messzelle (118), wobei die Messzelle (118) mindestens eine in dem Einstellbereich (116) angeordnete Messelektrode (142) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (132) angeordnete Referenzelektrode (144) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine erste Gaskomponente in dem Einstellbereich (116) zu erfassen; • mindestens eine erste Pumpzelle (120), wobei die erste Pumpzelle (120) eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich (116) zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich (116) zuzuführen; • mindestens eine zweite Pumpzelle (122), wobei die zweite Pumpzelle (122) mindestens eine in dem Erfassungsbereich (117) angeordnete Pumpelektrode (146) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich (116) zu entfernen; • wobei zwischen dem Einstellbereich (116) und ersten Pumpzelle (120) mindestens eine Membran (124) angeordnet ist, welche eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle (120) zu transportieren.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement, eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum.
Gegenwärtig können keramische Stickoxidsensoren zur Erfassung eines Anteils von NOx in Abgasen, beispielsweise Zirkoniumoxid-basierte Sensoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen und/oder zu regeln. Dabei können Sensorelemente mittels Dickschichttechnologie gefertigt werden, wobei Abmessungen beispielsweise ca. 4 mm × 50 mm × 3 mm betragen können. Aufgrund solcher Abmessungen, das heißt aufgrund einer thermischen Masse, können zu einem Erreichen einer notwendigen Betriebstemperatur, beispielsweise von ca. 700 °C, Heizleistungen im einstelligen bis zweistelligen Watt-Bereich typisch sein.
Derartige Stickoxidsensoren, z.B. in Form von Lambdasonden, sind z.B. bekannt aus dem Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347.
Bei derartigen Stickoxidsensoren kann Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffoxid (NO) zersetzt werden und ein Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) in einer Erfassungskammer des Stickoxidsensors erniedrigt sein. Dies kann insbesondere zu einem niedrigen Pumpstrom und daher auch zu einem niedrigen Sensorsignal führen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben genannten Herausforderungen zumindest teilweise umgehen oder lösen. Diese sind in den unabhängigen Ansprüchen dargestellt. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder auch in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer, welche mindestens einen Einstellbereich und mindestens einen Erfassungsbereich aufweist. Weiterhin weist das Sensorelement mindestens eine Messzelle, mindestens eine erste Pumpzelle und mindestens eine zweite Pumpzelle auf. Der Einstellbereich ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die Messzelle weist mindestens eine in dem Einstellbereich angeordnete Messelektrode und mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode auf und ist eingerichtet, um mindestens eine Gaskomponente in dem Einstellbereich zu erfassen. Die erste Pumpzelle ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich zuzuführen. Die zweite Pumpzelle weist mindestens eine in dem Erfassungsbereich angeordnete Pumpelektrode auf und ist eingerichtet, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus der dem Erfassungsbereich zu entfernen. Zwischen dem Einstellbereich und der ersten Pumpzelle ist mindestens eine Membran angeordnet, welche eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente spannungsfrei, also ohne das Anlegen einer elektrischen Spannung, zu der ersten Pumpzelle zu transportieren.
Unter dem Erfassen einer Gaskomponente kann z.B. die Bestimmung bzw. Erfassung ihres (relativen) Anteils in einem Gasgemisch bzw. ihr Partialdruck verstanden werden. Die Erfassungsgröße kann dabei z.B. ein Pumpstrom oder eine Spannung sein.
Die erste Gaskomponente kann dabei Sauerstoff (O2) sein. Die zweite Gaskomponente kann dabei allgemein Stickoxid (NOx) sein, das in Abhängigkeit von der Temperatur zu unterschiedlichen Anteilen z.B. aus Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Distickstoffmonoxid (N2O), etc. zusammengesetzt ist. In der Regel dominieren dabei die Anteile von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). In einem simplifizierten Modell, das für die weitere Betrachtung zugrunde gelegt wird, addiert sich die Summe der Anteile von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) im Stickoxid (NO) zu 100%. Grundsätzlich nimmt mit steigender Temperatur der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) im Stickoxid (NOx) ab. Ein Messsignal, das auf der Zersetzung des Stickoxids (NOx) in Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) bzw. der Ionen dieser Gase und einem Pumpstrom zum Abpumpen des freigewordenen Sauerstoffs bzw. der Sauerstoffionen basiert ist somit umso größer, je höher der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) mit zwei Sauerstoffatomen pro Molekül ist.
Der Begriff "Messgasraum" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Gasraum in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Verbrennungsmotor. Der "Referenzgasraum" kann insbesondere mindestens ein Gas mit mindestens einer bekannten Zusammensetzung aufweisen, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft.
Unter einem "Gas" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Stoff im gasförmigen Zustand zu verstehen, welcher einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt. Im Allgemeinen kann der gasförmige Zustand eines Stoffes temperatur- und/oder druckabhängig sein. Das Gas kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen, welches mehrere Gaskomponenten umfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um Abgas handeln und z.B. unter anderem Sauerstoff (O2), Stickoxide (allgemein: NOx, d.h. beispielsweise NO, NO2, etc. in verschiedenen Konzentrationen), Ammoniak (NH3), Stickstoff (N2) und weitere Gase enthalten. Auch andere Gase oder Gasgemische sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Die wenigstens eine Pumpzelle und die wenigstens eine Messzelle bzw. Messpumpzelle können in der Art einer Membranschicht ausgebildet sein und z.B. eine Dicke im Bereich von 0,5 μm bis 50μm aufweisen. Die Membranschicht ist in einer Ebene senkrecht zu ihrer Dicke als flächige Struktur ausgebildet, wobei in der Regel die Erstreckung der Membran entlang der Ebene erheblich größer ist als die Dicke, z.B. um einen Faktor im Bereich von 10 bis 10000. Zusätzlich kann die Pumpzelle und/oder die Messzelle auf jeder Seite der Membranschicht entlang der Schichtdickenrichtung betrachtet eine bevorzugt poröse Elektrode umfassen.
Eine von der Pumpzelle und/oder Messzelle bzw. Messpumpzelle umfasste Membranschicht bzw. keramische Membranschicht bzw. Festkörperelektrolythmembranschicht ist erfindungsgemäß eine Membran im chemischen Sinne, und somit ein beispielsweise keramisches Material, das die Diffusion spezifischer chemischer Verbindungen erlaubt und/oder unterbindet. Die von der Pumpzelle und/oder Messzelle bzw. Messpumpzelle umfasste Membran ist „gasdicht“. Das bedeutet, dass kein Gas durch die Membranschicht diffundieren kann (es sei denn, es sind spezielle Diffusionskanäle, z.B. durch Poren ausgebildet). Allerdings können Ionen durch die Membranschicht diffundieren, wie z.B. Wasserstoff- oder Sauerstoffionen. Dabei sind Sauerstoffionen bevorzugt. Ferner trennt die Membranschicht beispielsweise räumlich zwei Gasräume (z.B. Abgas von Referenzluft, oder z.B. den Messgasraum von der Einstell- und Erfassungskammer oder z.B. den Einstellbereich vom Referenzgasraum oder z.B. den Erfassungsraum vom einer (dritten) Ausnehmung, etc.).
Unter einer chemischen Verbindung wird dabei im Sinne der Erfindung eine spezifische chemische Verbindung, eine chemisches Element, eine Gruppe von chemischen Verbindungen und Derivate der vorstehend benannten chemischen Verbindungen verstanden. Bei derartigen chemischen Elementen oder Verbindungen kann es sich, lediglich beispielhaft, um Sauerstoffionen (O^2–), Protonen (H⁺) oder Hydroxidionen (OH^–) handeln.
Grundsätzlich liegen in den einzelnen Kammern bzw. den einzelnen Räumen bzw. Bereichen somit überwiegend elektrisch neutrale Gase bzw. Gaskomponenten vor, z.B. Sauerstoff (O₂ oder O2), Stickstoff (N₂ oder N2), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂ oder NO2), etc. An den Zellen bzw. Membranschichten bzw. an den Elektroden kann dann wenigstens eine Gaskomponente, z.B. Sauerstoff (O₂) in Ionen (z.B. Sauerstoffionen: O^2–-Ionen) zersetzt werden. Unter dem Pumpen von Sauerstoff durch die Membranschichten bzw. eine Zelle ist dann der ionische Transport von Gas-Ionen (z.B. der Sauerstoffionen) durch die Membranschicht (z.B. Festkörperelektrolythmembranschicht) und/oder die Elektroden zu verstehen. An der Elektrode, die stromabwärts des Ionentransports angeordnet ist können dann die Gasionen wieder in elektrisch neutrales Gas zurückgewandelt werden: z.B. gemäß der chemischen Gleichung 2O^2– – 4e^– → O₂. Im folgenden Text wird daher nicht immer streng zwischen den elektrisch neutralen Gasen und deren Ionen unterschieden. Vielmehr ergibt sich die Bedeutung, ob es sich um das elektrisch neutrale Gas (z.B. O2) oder um das entsprechende Gas-Ion, z.B. O2–, handelt aus dem Kontext, also je nachdem, ob es sich um eine Kammer, einen Raum handelt, oder um das Innere einer Zelle, also z.B. den Transport durch eine Festkörperelektrolythmembranschicht bzw. eine Festelektrolythmembranschicht. Eine Perforation, die durchlässig ist für elektrisch neutrale Gase (z.B. NO, NO2, O2, N2, etc.) ist hierbei entsprechend wie ein Raum bzw. eine Kammer zu verstehen.
Die Eigenschaft des Gases kann insbesondere ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas sein, insbesondere ein NOx-Anteil. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, um die Eigenschaft des Gases qualitativ und alternativ oder zusätzlich auch quantitativ zu erfassen. Die erste Gaskomponente kann insbesondere Sauerstoff (O2) sein. Die zweite Gaskomponente kann insbesondere mindestens eine Sauerstoffverbindung umfassen, insbesondere NOx mit einem bestimmten Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2).
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Gaskomponente sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Gaskomponenten und mehrere Arten von zweiten Gaskomponenten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Gaskomponenten, beispielsweise eine oder mehrere dritte Gaskomponenten, vorhanden sein.
Unter einem "Sensorelement" kann im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein elektrisches Gerät verstanden werden, welches Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Sensorelement kann eine Schnittstelle aufweisen, welche hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) sein, welche verschiedenste Funktionen des Sensorelements umfasst. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise diskrete Bauelemente aufweisen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, welche beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Das Sensorelement kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement sein. Unter dem Begriff "mikromechanisch" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft einer dreidimensionalen Struktur zu verstehen, welche Dimensionen im Mikrometerbereich, d.h. im Bereich unterhalb von 1 mm, aufweist. Dies bezieht sich insbesondere auf die Dicken von funktionalen Elementen, wie z.B. der wenigstens einen Pumpzelle bzw. der wenigstens einen Messpumpzelle. Unter Dicke ist hierbei insbesondere die Schichtdickenrichtung zu verstehen, d. h. diejenige Richtung in welcher die Ionen von einer Kammer in die nächste Kammer bzw. von einem Raum in den nächsten Raum durch die Zelle hindurch transportiert werden. Beispielsweise kann die Herstellung des mikromechanischen Sensorelements überwiegend oder vollständig durch Halbleiter-Prozesse, d.h. vor allem durch die Verwendung photolithografischer Verfahren zur Strukturierung und Modifizierung von Oberflächen erfolgen. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Dickschichttechnologie eine Strukturierung vor allem durch Siebdruck-Verfahren. Das mikromechanische Sensorelement kann im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtsensoren geringere Abmessungen und geringere Toleranzen aufweisen.
Das Sensorelement kann mindestens ein Trägersubstrat aufweisen. Unter einem "Trägersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um ein oder mehrere weitere Elemente zu tragen und welches dementsprechend eine mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere kann es sich um ein Halbleitersubstrat handeln, welches mikromechanisch strukturiert ist. Das Trägersubstrat kann beispielsweise ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat mehrere Halbleitersubstrate umfassen, welche mittels Waferbonden miteinander verbunden sind. Das Trägersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat Silizium umfassen. Auch andere halbleitende oder isolierende Materialien wie Siliziumcarbid, GaN, Saphir und Glas sind grundsätzlich denkbar.
Das Trägersubstrat kann eine oder mehrere Ausnehmungen umfassen. Der Begriff "Ausnehmung" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in das Trägersubstrat von einer Trägersubstratoberfläche aus hineinragenden Hohlraum handeln. Die Ausnehmung kann grundsätzlich eine beliebige Grundform aufweisen. Beispielsweise kann die Ausnehmung quaderförmig ausgestaltet sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Beispielsweise kann die Ausnehmung einen polygonalen (dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, etc.), elliptischen oder runden Querschnitt aufweisen.
Insbesondere kann der Referenzgasraum bzw. ein Zugang zu dem Referenzgasraum ganz oder teilweise durch eine erste Ausnehmung in dem Trägersubstrat gebildet sein. Das Trägersubstrat kann weiterhin mindestens eine zweite Ausnehmung aufweisen. Die zweite Pumpzelle kann eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich in bzw. durch die zweite Ausnehmung zu pumpen.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Ausnehmung sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Ausnehmungen und/oder mehrere Arten von zweiten Ausnehmungen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Ausnehmungen, beispielsweise eine oder mehrere dritte Ausnehmungen, vorhanden sein. Die zweite Ausnehmung kann verschieden zu der ersten Ausnehmung sein oder auch ganz oder teilweise identisch mit der ersten Ausnehmung sein.
Die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle und/oder die Messzelle können gegenüber dem Trägersubstrat durch mindestens ein Isolationsmaterial elektrisch isoliert sein. Der Begriff "Isolationsmaterial" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material, welches eingerichtet ist, um einen von dem Isolationsmaterial zumindest teilweise abgegrenzten Bereich von dem übrigen Trägersubstrat elektrisch zu isolieren.
Dazu kann das Isolationsmaterial bevorzugt eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das umgebende Material aufweisen, z.B. wenigstens einen um den Faktor 10, bevorzugt wenigstens um den Faktor 1000 geringere Leitfähigkeit. Das Isolationsmaterial kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid; einer Aluminiumverbindung, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid; einem elektrisch isolierenden Kunststoff.
Der Begriff "Einstell- und Erfassungskammer" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen beliebig ausgestalteten Hohlraum, welcher ganz oder zumindest teilweise innerhalb des Sensorelements angeordnet ist. Die Einstell- und Erfassungskammer kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Einstell- und Erfassungskammer kann den mindestens einen Einstellbereich und den mindestens einen Erfassungsbereich umfassen. Der Einstellbereich ist mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. So kann der Einstellbereich mit dem Messgasraum beispielsweise gasleitend verbunden sein, z.B. durch ein gasdurchlässiges Material mit einer definierten Porosität oder durch wenigstens eine Öffnung, wobei diese wenigstens eine Öffnung einen sehr geringen Durchmesser haben kann. Insbesondere kann der Einstellbereich eingerichtet sein, um eine Gaszusammensetzung eines Messmediums einzustellen. Bei dem Messmedium kann es sich beispielsweise um ein Abgas bzw. Abgasgemisch eines Kraftfahrzeugs, Umgebungsluft oder dergleichen handeln. Der Erfassungsbereich kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Eigenschaft des Gases zu erfassen. Die Begriffe "Einstellbereich" und "Erfassungsbereich" bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich Teile bzw. Teilräume bzw. Bereiche bzw. Abschnitte der Einstell- und Erfassungskammer. Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können insbesondere nebeneinander angeordnet bzw. einander benachbart sein. Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können sich teilweise überlappen. Weiterhin können der Einstellbereich und der Erfassungsbereich durch mindestens ein Bauteil voneinander getrennt sein, insbesondere durch wenigstens eine Diffusionsbarriere. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar.
Der Begriff "Zelle" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges elektrochemisches Element mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. Die Zelle kann insbesondere ganz oder teilweise als Pumpzelle ausgestaltet sein oder genutzt werden, welche mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar ist und mit einem Strom und/oder einer Spannung beaufschlagbar ist. Die Zelle kann alternativ ganz oder teilweise als Nernstzelle ausgestaltet sein oder genutzt werden.
Die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle können jeweils mindestens zwei Pumpelektroden aufweisen. Insbesondere können die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle jeweils mindestens einen Schichtaufbau aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden und mindestens einen die Pumpelektroden verbindenden Festkörperelektrolyten aufweist. Der Festelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein. Bei der zweiten Pumpzelle kann mindestens eine der Pumpelektroden dem Erfassungsbereich zuweisen und katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein und eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Die Zersetzung kann dabei z.B. durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden bewirkt werden. Dabei kann die Spannung bevorzugt derart gewählt werden, dass sie größer ist als das (ggf. durch die katalytische Wirkung der Elektrode herabgesetzte) elektrochemische Potenzial, welches notwendig ist, um eine an der Elektrode befindliche Gaskomponente zu zersetzen. Z.B. kann so NO in Stickstoff und Sauerstoff bzw. deren Ionen zersetzt werden. Die Messelektrode und die Referenzelektrode der Messzelle können durch mindestens einen Festkörperelektrolyten verbunden sein. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein.
Unter einem "Schichtaufbau" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Abfolge von mindestens zwei Schichten, welche direkt oder unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten aufeinander aufgebracht sind, zu verstehen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Weiterhin kann der Schichtaufbau Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
Unter einem "Festkörperelektrolyten" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt Zirkoniumdioxid (ZrO₂) umfassen, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Die Membran kann weiterhin mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Ferrit, vorzugsweise Lanthanstrontiumcobaltferrit (La_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-f)), besonders bevorzugt Bariumstrontiumcobaltferrit (Ba_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-f)).
Unter einer "Elektrode" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zum Austausch von Ionen zwischen dem Element und dem Festkörperelektrolyten zu verstehen. Insbesondere können mittels der Elektrode Ionen in den Festkörperelektrolyten eingebracht werden, beispielsweise Sauerstoffionen (O^2–), was auch als "Einbau" der Ionen bezeichnet wird, und/oder Ionen aus dem Festkörperelektrolyten ausgetragen werden und beispielsweise in ein Gas umgewandelt werden, beispielsweise Sauerstoffgas (2O^2– – 4e^– → O₂), wobei dieser Vorgang auch als "Ausbau" der Ionen bezeichnet werden kann. Bei den Elektroden kann es sich somit insbesondere um elektrische Kontakte zur elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung eines Festkörperelektrolyten handeln.
Insbesondere kann es sich um ein poröses, elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial handeln. Unter einem "porösen" elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial sind im Allgemeinen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Materialien zu verstehen, welche Poren aufweisen, derart, dass ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial möglich ist. So kann beispielsweise ein Gasdurchtritt durch das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial erfolgen, wobei das Gas an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festkörperelektrolyten in Ionen umgewandelt wird, wobei die Ionen in ein Gitter des Festkörperelektrolyten eingebaut werden können.
Der Einstellbereich und der Messgasraum können durch mindestens eine erste Diffusionsbarriere verbunden sein.
Der Einstellbereich und der Erfassungsbereich können durch mindestens eine zweite Diffusionsbarriere verbunden sein.
Der Begriff "Diffusionsbarriere" bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um ein oder mehrere Gaskomponenten des Gases zu transportieren bzw. welches durchlässig für wenigstens eine Gaskomponente ist. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere mindestens ein poröses Material umfassen. Die Diffusionsbarriere kann aus mindestens einem Material hergestellt sein bzw. mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumoxid, insbesondere Zirkoniumdioxid; einem Halbleiter, insbesondere Silizium. Auch andere Materialien sind jedoch grundsätzlich denkbar. Das keramische Material kann insbesondere eine durchschnittliche Porengröße zwischen 10 nm und 500 µm, insbesondere zwischen 50 nm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 10 µm aufweisen. Das Halbleitermaterial kann insbesondere eine durchschnittliche Porengröße zwischen 100 nm und 5000 µm, insbesondere zwischen 500 nm und 1000 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und 500 µm aufweisen.
Unter einer "Membran" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Element mit einer länglichen Form und einer Dicke zu verstehen, wobei die Ausdehnung des Elements in lateraler Dimension die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 1000, vorzugsweise um einen Faktor von 200 bis 500. Insbesondere kann die Membran eine Sauerstoffmembran sein, welche für einen ionischen Transport von Sauerstoff eingerichtet ist. Hierfür kann die Membran insbesondere mindestens einen Festkörperelektrolyten oder einen keramischen Mischleiter umfassen und ionisch leitfähige Eigenschaften aufweisen.
Die Membran kann mindestens einen Schichtaufbau umfassen. Beispielsweise kann der Schichtaufbau mindestens zwei poröse Elektroden sowie mindestens einen die porösen Elektroden verbindenden ionenleitenden Festkörperelektrolyten umfassen. Der Festkörperelektrolyth kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung betrachtet zwischen den Elektroden angeordnet sein.
Die Membran kann weiterhin elektrisch leitfähig sein. Insbesondere kann die Membran mindestens ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Die porösen Elektroden können mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; einer Platin-Legierung, insbesondere Platin-Gold, insbesondere Platin- Rhodium. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Beispielsweise können die porösen Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sein, insbesondere mittels mindestens einer Durchkontaktierung. Die Durchkontaktierung kann insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, beispielsweise aus Platin. Weiterhin kann die Durchkontaktierung einen Durchmesser von 100 nm bis 10 µm, vorzugsweise von 500 nm bis 50 µm und besonders bevorzugt von 1 µm bis 100 µm aufweisen. Die Membran kann insbesondere katalytisch aktiv gegenüber der ersten Gaskomponente sein. Weiterhin kann die Membran katalytisch inaktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein. Unter katalytischer Aktivität kann dabei die Veränderung des elektrochemischen Potenzials einer Gaskomponente verstanden werden, welche mit der Membran in Wechselwirkung tritt.
Die Membran ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. Der Begriff „spannungsfrei“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich, dass ein Anlegen einer elektrischen Spannung an die Membran nicht notwendig ist, um die erste Gaskomponente zu der ersten Pumpzelle zu transportieren.
Vielmehr ist ein Konzentrationsgefälle der ersten Gaskomponente (z.B. Sauerstoff) von der einen Seite der Membran zu der anderen Seite der Membran ausreichend. Die erste Gaskomponente diffundiert dann lediglich aufgrund des Konzentrationsgradienten zu derjenigen Seite, auf der die Sauerstoffkonzentration geringer ist.
In einer Ausführungsform kann die Membran einen Schichtaufbau umfassen, wobei der Schichtaufbau zwei Elektroden umfasst. Wenigstens eine der beiden Elektroden kann porös sein. Dadurch kann ein Transport von Sauerstoff vorteilhaft verbessert werden.
In einer Ausführungsform kann die Membran zwischen den beiden Elektroden angeordnet sein, wobei die beiden Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind. Der elektrische Kurzschluss kann z.B. mittels einer Durchkontaktierung aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Metall umfassend, durch die Membran hindurch ausgebildet sein. Dadurch werden vorteilhaft die Membran sowie die beiden Elektroden der Membran auf dasselbe elektrische Potenzial gelegt. Dadurch wird bewirkt, dass eine Zersetzung von Gaskomponenten an der Membran aufgrund elektrischer Potenziale stark unterdrückt bzw. verhindert wird. Somit kann die Membran tatsächlich als eine Barriere dienen, die verhindert, dass Stickoxide, insbesondere Stickstoffdioxid (NO₂) an der Sauerstoff-Membran bzw. der Membran zersetzt werden. Gleichzeitig schirmt die Membran diese Gaskomponenten (mit Ausnahme von Sauerstoff) von der Pumpzelle ab. Im Einstellbereich wird somit der Anteil an Stickstoffdioxid (NO₂) vorteilhaft erhöht.
Die Membran und die erste Pumpzelle können in einem Abstand zueinander angeordnet sein, derart, dass zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle mindestens eine Zwischenkammer ausgebildet ist. Alternativ können die Membran und die erste Pumpzelle in einer Stapelanordnung so angeordnet sein, dass kein Zwischenraum ausgebildet ist. Die Schichten sind mit anderen Worten direkt aufeinander angeordnet.
Das Sensorelement kann weiterhin mindestens ein Heizelement umfassen. Das Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um den mindestens einen Festkörperelektrolyten und alternativ oder zusätzlich die mindestens zwei Pumpelektroden zu heizen. Das Heizelement kann insbesondere als mikrosystemtechnischer Membranheizer ausgeführt sein.
Es wird weiterhin eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement nach einem der oben beschriebenen oder nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsbeispiele. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle, mindestens eine erste elektrische Messvorrichtung und mindestens eine zweite elektrische Messvorrichtung. Die elektrische Energiequelle ist mit der ersten Pumpzelle und/oder mit der zweiten Pumpzelle verbunden und eingerichtet, um die erste Pumpzelle und/oder die zweite Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die elektrische Messvorrichtung ist mit der Messzelle verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messzelle zu erfassen. Die zweite elektrische Messvorrichtung ist eingerichtet, um einen Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle zu erfassen.
Unter einer Energiequelle kann in dieser Anmeldung beispielsweise eine Strom- oder Spannungsquelle verstanden werden, mit welcher die wenigstens eine Pumpozelle oder die wenigsten Messpumpzelle mit elektrischer Energie (Strom und/oder Spannung) versorgt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung mindestens eine erste elektrische Energiequelle und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle umfassen. Die erste elektrische Energiequelle kann mit der ersten Pumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die erste Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Energiequelle kann mit der zweiten Pumpzelle verbunden sein und eingerichtet sein, um die zweite Pumpzelle mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen.
Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" elektrische Energiequelle sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Rangfolge oder Reihenfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten elektrischen Energiequellen und/oder mehrere Arten von zweiten Energiequellen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche elektrische Energiequellen, beispielsweise eine oder mehrere dritte elektrische Energiequellen vorhanden sein.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens eine Regelvorrichtung umfassen, welche mit der ersten elektrischen Messvorrichtung und der ersten elektrischen Energiequelle verbunden ist und eingerichtet ist, um mittels der ersten Pumpzelle einen Anteil der ersten Gaskomponente in dem Einstellbereich auf einen Sollwert zu regeln.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Verwendung des Sensorelements nach einem der Ausführungsbeispiele, welche bereits beschrieben wurden oder im Folgenden noch beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen des Sensorelements;
b) Beaufschlagen des Einstellbereichs mit dem Gas aus dem Messgasraum;
c) Einstellen einer Sollgaszusammensetzung in dem Einstellbereich mittels der Messzelle und der ersten Pumpzelle; und
d) Erfassung eines Pumpstroms an der zweiten Pumpzelle.

In Schritt c) kann die Sollgaszusammensetzung insbesondere eine Luftzahl von λ = 1 sein. Der Begriff „Luftzahl“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine dimensionslose Kennzahl, welche ein Massenverhältnis aus einer für eine Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und einer für die Verbrennung mindestens notwendige Luftmasse angibt.
Es können auch weitere Schritte vorgesehen sein, z.B.

e) Eindiffundieren des um O2 entreicherten Gases aus dem Einstellbereich in den Erfassungsbereich;
f) Spalten der zweiten Gaskomponente (z.B. NOx, NO2, NO) in Zersetzungsprodukte (z.B. Sauerstoff, Stickstoff);
g) Pumpen der Zersetzungsprodukte aus dem Erfassungsbereich in die dritte Ausnehmung bzw. in einen Referenzgasraum.

Das vorgeschlagene Sensorelement, die vorgeschlagene Sensorvorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Zwischen dem Einstellbereich und der ersten Pumpzelle ist die Membran angeordnet. Insbesondere kann die Membran eingerichtet sein, um die erste Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle zu transportieren. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, da ohne angelegte Spannung bzw. durch die kurzgeschlossenen Elektroden beidseitig der Membran die zweite Gaskomponente an der dem Einstellbereich zugewandten Seite der Membran, insbesondere NOx, grundsätzlich weniger oder nicht zersetzt wird, insbesondere wird Stickstoffdioxid (NO2) grundsätzlich weniger oder nicht in Stickstoffmonoxid (NO) zersetzt. Ein Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) in dem Erfassungsbereich kann dadurch erhöht sein. Somit sind im Erfassungsbereich mehr Sauerstoffatome vorhanden, die nach einer Zersetzung von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) als Sauerstoff bzw. Sauerstoffionen abgepumpt werden können bzw. müssen – dadurch wird vorteilhaft das Messsignal, das sich aus dem Pumpstrom bestimmt, erhöht und die Messgenauigkeit somit verbessert. Wie oben bereits dargelegt wurde kann die als Dünnschichtsystem ausgebildete Anordnung auch bei einer geringeren Temperatur (z.B. bei lediglich 350°C bis 450°C) als in einem herkömmlichen System (Temperaturen dort z.B. 650°C bis 800°C) betrieben werden. Dies erhöht den Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) relativ zu Stickstoffmonoxid (NO) im Stickoxid zusätzlich. Da eine Zersetzung von Stickstoffdioxid (NO2) an der dem Einstellbereich zugewandten, kurzgeschlossenen Elektrode der Membran nicht stattfinden kann, kann im Erfassungsbereich ein gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich erhöhter Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) eingestellt werden.
Ein Anteil von Stickoxiden in dem Messgasraum kann anschließend berechnet werden. Die Membran kann eingerichtet sein, um das Gas in dem Einstellbereich von der Pumpspannung der Pumpzelle abzuschirmen. Die Sauerstoffatome der Stickoxide (NOx) in dem Erfassungsbereich können durch den höheren Stickstoffdioxidanteil (NO2) in dem Gas erhöht sein. In der Ausführungsform, in welcher das Sensorelement ein mikromechanisches Sensorelement ist, kann das Sensorelement bereits bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtsensoren kann das, z.B. mikromechanisch ausgebildete, Sensorelement eine vergleichsweise höhere Sauerstoffionenleitfähigkeit aufgrund einer geringeren Schichtdicke des Festkörperelektrolyten aufweisen. Bei einem Betrieb eines üblichen mikromechanischen Sensorelements bei einer Temperatur von 400 °C kann beispielsweise damit ein Messsignal um etwa ein Drittel erhöht sein.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl die Erhöhung des Stickstoffdioxidanteils im Stickoxid durch Betrieb bei einer geringerer Temperatur gelingt als auch vorteilhaft durch die der Pumpzelle vorgelagerte, dem Einstellbereich zugewandte Membran verhindert wird, dass dieses Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) zersetzt wird.
Das Gas kann aus dem Messgasraum in den Einstellbereich diffundieren. Sauerstoff aus dem Gas kann an der zu dem Einstellbereich orientierten Pumpelektrode der ersten Pumpzelle in Sauerstoffionen umgewandelt werden. Aufgrund einer Differenz in einem Sauerstoffpartialdruck zwischen dem Einstellbereich und der zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle gebildeten Zwischenkammer kann ein Sauerstofftransport in die Zwischenkammer hinein oder aus ihr heraus stattfinden. Der Sauerstoff aus der Zwischenkammer kann abgepumpt werden, bis in dem Einstellbereich ein Sollwert von λ = 1 herrscht. Dadurch kann insbesondere ein Sauerstoffpartialdruckgefälle aufrechterhalten werden.
Die Membran kann elektrisch leitfähig sein oder die Elektroden der Membran können elektrisch kurzgeschlossen sein. Sie kann daher ohne elektrisches Feld zwischen den Elektroden der Membran ausgebildet sein, also auf einem konstanten elektrischen Potenzial liegen. Weiterhin ist eine Spannung für den Transport des Sauerstoffs nicht erforderlich. Die Elektrode kann eingerichtet sein, um über Katalyse das Gleichgewichtsverhältnis zwischen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) herzustellen. Die Stickstoffdioxidkonzentration in dem Einstellbereich und damit auch in dem Erfassungsbereich kann demnach gegenüber dem Stand der Technik erhöht sein.
Die Membran kann aus einem keramischen Mischleiter, welcher insbesondere elektrisch leitfähig und sauerstoffionenleitend ist, hergestellt sein, insbesondere aus einem Ferrit oder aus einem Festkörperelektrolyten, dessen Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind, beispielsweise durch eine Durchkontaktierung durch den Elektrolyten. Zwischen der Membran und der ersten Pumpzelle kann ein Hohlraum ausgebildet sein oder die Membran und die erste Pumpzelle können als Stapelanordnung ohne zwischenliegenden Hohlraum realisiert sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Anteile an Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) in Stickoxid (NOx) in Abhängigkeit von der Temperatur;
2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; und
3 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum.
Beschreibung der Ausführungsformen
In 1 ist eine Darstellung eines simplifizierten Modells der Anteile an Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) in Stickoxid (NOx) in Abhängigkeit von der Temperatur gezeigt. Dabei handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung, die lediglich modelhaften Charakter haben soll. Auf die Darstellung von ebenfalls Stickoxid (NOx) enthaltene weitere Gaskomponenten, beispielsweise N2O, N2O2, etc. wird hier bewusst verzichtet, da diese Komponenten üblicherweise lediglich einen sehr geringen Anteil im Stickoxid (NOx) ausmachen.
Auf der X-Achse ist die Temperatur in °C aufgetragen von 0°C bis 1000°C. Auf der Y-Achse ist die Konzentration eines Gas-Anteils (hier also NO bzw. NO2) in einem Volumen von gasförmigem Stickoxid (NOx) in Prozent aufgetragen. Es sind zwei Kurven aufgetragen.
Eine erste Kurve stellt den Anteil der Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO) im Stickoxid dar (S-förmige Kurve). Es ist gut zu erkennen, dass die Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO) bis ca. 200°C bei nahezu 0% liegt. Von 200°C bis ca. 700°C steigt die Konzentration steil an und ist dann ab ca. 600°C bei nahezu 100% gesättigt.
Eine zweite Kurve stellt die Konzentration von Stickstoffdioxid (NO2) dar. Da die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) sich zu 100% addieren müssen verläuft diese zweite Kurve somit komplementär zur ersten Kurve. Die Konzentration von Stickstoffdioxid (NO2) ist also bis ca. 200°C nahezu bei 100% und fällt dann steil ab, bis ab ca. 700°C der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) auf deutlich unter 5% fällt.
Um ein hohes Messsignal in der Sensoranordnung zu erzeugen ist es vorteilhaft, möglichst viele Sauerstoffatome in dem Erfassungsbereich vorliegen zu haben, z.B. indem der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) gegenüber Stickstoffmonoxid (NO) erhöht wird. Gelingt es also, wie z.B. bei einem Dünnschichtsystem, welches z.B. mikromechanisch hergestellt ist, bei geringeren Temperaturen zu arbeiten und dennoch wegen der geringen Schichtdicken eine ausreichend hohe Transportrate von Gaskomponenten durch Schichtsysteme zu erreichen, so kann der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) deutlich erhöht werden.
In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 in einer Schnittdarstellung dargestellt.
Das Sensorelement 110 umfasst mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer 114, welche mindestens einen Einstellbereich 116 und mindestens einen Erfassungsbereich 117 aufweist, mindestens eine Messzelle 118, mindestens eine erste Pumpzelle 120, mindestens eine zweite Pumpzelle 122 und mindestens eine Membran 124.
Das Sensorelement 110 kann insbesondere ein mikromechanisches Sensorelement 126 sein. Das Sensorelement 110 kann mindestens ein Trägersubstrat 128 aufweisen. Das Trägersubstrat 128 kann eine erste Ausnehmung 130 aufweisen. Durch die erste Ausnehmung 130 kann ganz oder teilweise ein Referenzgasraum 132 in dem Trägersubstrat 128 gebildet sein, der z.B. mit Luft gefüllt bzw. beaufschlagt ist. Das Trägersubstrat 128 kann weiterhin mindestens eine zweite Ausnehmung 134 sowie eine dritte Ausnehmung 136 aufweisen. Die zweite Ausnehmung 134 und/oder die dritte Ausnehmung 136 können von der ersten Ausnehmung 130 verschieden sein oder auch ganz oder teilweise identisch sein. Die erste Pumpzelle 120, die zweite Pumpzelle 122 und die Messzelle 118 können gegenüber dem Trägersubstrat 128 durch mindestens ein Isolationsmaterial 138 elektrisch isoliert sein.
Die Einstell- und Erfassungskammer 114 kann als quaderförmiger Hohlraum innerhalb des Trägersubstrats 128 ausgebildet sein. Insbesondere können die Einstellkammer 116 und die Erfassungskammer 117 jeweils als quaderförmiger Hohlraum innerhalb des Trägersubstrats 128 ausgebildet sein. Der Einstellbereich 116 ist mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Die kann z.B. erreicht werden durch wenigsten eine (kleine) Öffnung und/oder durch das Vorsehen eines gasdurchlässigen Materials in einem Bereich der Einstell- und Erfassungskammer, welcher an den Messgasraum angrenzt. Insbesondere kann der Einstellbereich 116 eingerichtet sein, um eine Gaszusammensetzung eines Messmediums (z.B. Abgas) einzustellen. Insbesondere können der Einstellbereich 116 und der Messgasraum 112 durch mindestens eine erste Diffusionsbarriere 140 verbunden sein. Der Erfassungsbereich 117 kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Eigenschaft des Gases (z.B. NOx-Anteil bzw. NOx-Gehalt) zu erfassen. Der Einstellbereich 116 und der Erfassungsbereich 117 können durch mindestens eine zweite Diffusionsbarriere 164 verbunden sein.
Die Messzelle 118 ist eingerichtet, um mindestens eine erste Gaskomponente in dem Einstellbereich 116 zu erfassen. Die Messzelle 118 weist mindestens eine in dem Einstellbereich 116 angeordnete bzw. dem Einstellbereich 116 zugewandte Messelektrode 142 und mindestens eine in dem Referenzgasraum 132 angeordnete bzw. dem Referenzgasraum 132 zugewandte Referenzelektrode 144 auf. Die Messelektrode 142 und die Referenzelektrode 144 der Messzelle 118 können durch mindestens einen Festkörperelektrolyten 150 verbunden sein. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die Messzelle 118: vom Referenzgasraum 132 zum Einstellbereich 116 zeigend) betrachtet zwischen den Elektroden 142, 144 angeordnet sein.
Die erste Pumpzelle 120 ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich 116 zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich 116 zuzuführen. Die erste Pumpzelle 120 kann mindestens einen Schichtaufbau 148 aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden 146 und mindestens einen die Pumpelektroden 146 verbindenden Festkörperelektrolyten 150 aufweist. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die erste Pumpzelle 120: vom Zwischenraum 162 zur zweiten Ausnehmung 134 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Pumpelektroden 146 angeordnet sein.
Die zweite Pumpzelle 122 weist mindestens eine in dem Erfassungsbereich 117 angeordnete Pumpelektrode 146 auf und ist eingerichtet, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich 117 zu entfernen. Die zweite Pumpzelle 122 kann weiterhin mindestens einen Schichtaufbau 148 aufweisen, welcher mindestens zwei Pumpelektroden 146 und mindestens einen die Pumpelektroden 146 verbindenden Festkörperelektrolyten 150 aufweist. Mindestens eine der Pumpelektroden 146 kann dem Erfassungsbereich 117 zuweisen und katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein und eingerichtet sein, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die zweite Pumpzelle 122: von der dritten Ausnehmung 136 zum Erfassungsbereich 117 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Pumpelektroden 146 angeordnet sein.
Zwischen dem Einstellbereich 116 und der ersten Pumpzelle 120 ist die Membran 124 angeordnet. Die Membran 124 ist eingerichtet, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle 120 zu transportieren. Die Membran 124 kann insbesondere eine Sauerstoffmembran 152 sein, welche für einen ionischen Transport von Sauerstoff eingerichtet ist. Die Membran 124 kann mindestens einen Schichtaufbau 154 umfassen. Der Schichtaufbau 154 kann mindestens zwei poröse Elektroden 156 sowie mindestens einen die porösen Elektroden 156 verbindenden Festkörperelektrolyten 158 umfassen. Die porösen Elektroden 156 können elektrisch kurzgeschlossen sein. Insbesondere können die porösen Elektroden 156 mittels mindestens einer Durchkontaktierung 160 elektrisch durchkontaktiert sein. Somit liegen beide Elektroden 156 sowie der Festkörperelektrolyth auf demselben elektrischen Potenzial. Eine Spaltung bzw. Zersetzung von Gaskomponenten (z.B. von Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) kann so vorteilhaft vermieden werden. Die Membran 124 kann weiterhin katalytisch inaktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente sein, z.B. dadurch, dass die Elektrode eine Gold-Platin-Mischung umfasst. Somit wird das elektrochemische Potenzial der zweiten Gaskomponente nicht so weit verändert, dass allein aufgrund der herrschenden Betriebstemperatur eine Zersetzung bzw. Spaltung von z.B. Stickstoffdioxid (NO2) in Stickstoffmonoxid (NO) erfolgt. Die Membran 124 und die erste Pumpzelle 120 können insbesondere in einem Abstand d zueinander angeordnet sein, derart, dass zwischen der Membran 124 und der ersten Pumpzelle 120 mindestens eine Zwischenkammer 162 ausgebildet ist. Der Festkörperelektrolyth 150 kann dabei membranartig ausgebildet sein und entlang einer Schichtdickenrichtung (in der Figur: von unten nach oben zeigend bzw. beispielhaft für die Membran 124: vom Einstellbereich 116 zum Zwischenraum 162 zeigend) betrachtet zwischen den beiden Elektroden 156 angeordnet sein.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, die Membran 124 direkt auf die dem Einstellbereich 116 zugewandte Seite der ersten Pumpzelle 120 aufzubringen, so dass kein Zwischenraum 162 entsteht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 166 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112. Die Sensorvorrichtung 166 umfasst ein Sensorelement 110. Das Sensorelement 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß 2, so dass weitestgehend auf die Beschreibung der 2 oben verwiesen werden kann.
Die Sensorvorrichtung 166 weist weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle 168, mindestens eine erste elektrische Messvorrichtung 170 und mindestens eine zweite elektrische Messvorrichtung 174 auf. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung 166 mindestens eine erste elektrische Energiequelle 169 und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle 172 umfassen. Die erste elektrische Energiequelle 169 kann mit der ersten Pumpzelle 120 verbunden sein und eingerichtet sein, um die erste Pumpzelle 120 mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die erste elektrische Messvorrichtung 170 ist mit der Messzelle 118 verbunden und eingerichtet, um eine elektrische Spannung an der Messzelle 118 zu erfassen. Die zweite elektrische Energiequelle 172 kann mit der zweiten Pumpzelle 122 verbunden sein und eingerichtet sein, um die zweite Pumpzelle 122 mit einem Pumpstrom und/oder einer Pumpspannung zu beaufschlagen. Die zweite elektrische Messvorrichtung 174 ist eingerichtet, um einen Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle 122 zu erfassen.
Die Sensorvorrichtung 166 kann weiterhin mindestens eine Regelvorrichtung 186 umfassen. Die Regelvorrichtung 186 kann mit der ersten elektrischen Messvorrichtung 170 und der ersten elektrischen Energiequelle 172 verbunden sein und eingerichtet sein, um mittels der ersten Pumpzelle 120 einen Anteil der ersten Gaskomponente (z.B. Sauerstoff (O2)) in dem Einstellbereich 116 auf einen Sollwert zu regeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0003]

Claims

Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend: • mindestens eine Einstell- und Erfassungskammer (114), wobei die Einstell- und Erfassungskammer (114) mindestens einen Einstellbereich (116) und mindestens einen Erfassungsbereich (117) aufweist, wobei der Einstellbereich (116) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist; • mindestens eine Messzelle (118), wobei die Messzelle (118) mindestens eine in dem Einstellbereich (116) angeordnete Messelektrode (142) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (132) angeordnete Referenzelektrode (144) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine erste Gaskomponente in dem Einstellbereich (116) zu erfassen; • mindestens eine erste Pumpzelle (120), wobei die erste Pumpzelle (120) eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente ganz oder teilweise aus dem Einstellbereich (116) zu entfernen oder die erste Gaskomponente dem Einstellbereich (116) zuzuführen; und • mindestens eine zweite Pumpzelle (122), wobei die zweite Pumpzelle (122) mindestens eine in dem Erfassungsbereich (117) angeordnete Pumpelektrode (146) aufweist und eingerichtet ist, um mindestens eine zweite Gaskomponente aus dem Erfassungsbereich (116) zu entfernen; wobei zwischen dem Einstellbereich (116) und der ersten Pumpzelle (120) mindestens eine Membran (124) angeordnet ist, welche eingerichtet ist, um die erste Gaskomponente spannungsfrei zu der ersten Pumpzelle (120) zu transportieren.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Eigenschaft des Gases ein Anteil einer Sauerstoffverbindung in dem Gas ist, insbesondere ein NOx-Anteil.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (124) eine Sauerstoffmembran (152) ist, welche für einen ionischen Transport von Sauerstoff eingerichtet ist, wobei die Membran 124 insbesondere einen keramischen elektrisch leitfähigen Mischleiter oder einen Festkörperelektrolythen umfasst.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (124) einen Schichtaufbau (154) umfasst, wobei der Schichtaufbau (154) zwei, insbesondere poröse, Elektroden (156) umfasst.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Membran (124) zwischen den beiden Elektroden (156) angeordnet ist, wobei die beiden Elektroden (156) elektrisch kurzgeschlossen sind, insbesondere durch die Membran (124) hindurch.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (124) katalytisch inaktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (124) und die erste Pumpzelle (120) in einem Abstand (d) zueinander angeordnet sind, derart, dass zwischen der Membran (124) und der ersten Pumpzelle (120) mindestens eine Zwischenkammer(162) ausgebildet ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einstellbereich (116) und der Messgasraum (112) durch mindestens eine erste Diffusionsbarriere (140) verbunden sind.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einstellbereich (116) und der Erfassungsbereich (117) durch mindestens eine zweite Diffusionsbarriere (164) verbunden sind.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) ein mikromechanisches Sensorelement (126) ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Pumpzelle (122) mindestens einen Schichtaufbau (148) aufweist, wobei der Schichtaufbau (148) mindestens zwei Pumpelektroden (146) und mindestens einen die Pumpelektroden (146) verbindenden Festkörperelektrolyten (150) aufweist, wobei mindestens eine der Pumpelektroden (146) dem Erfassungsbereich (117) zuweist und katalytisch aktiv gegenüber der zweiten Gaskomponente ist und eingerichtet ist, um die zweite Gaskomponente zu zersetzen.
Sensorvorrichtung (166) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend • mindestens eine elektrische Energiequelle (168), wobei die elektrische Energiequelle (168) mit mindestens einer Pumpzelle verbunden ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der ersten Pumpzelle (120), der zweiten Pumpzelle (122), wobei die elektrische Energiequelle eingerichtet ist, um die Pumpzelle mit mindestens einer physikalischen Größe zu beaufschlagen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Pumpstrom, einer Pumpspannung, • mindestens eine erste elektrische Messvorrichtung (170), wobei die elektrische Messvorrichtung (170) mit der Messzelle (118) verbunden ist und eingerichtet ist, um eine elektrische Spannung an der Messzelle (118) zu erfassen; und • mindestens eine zweite elektrische Messvorrichtung (174), wobei die zweite elektrische Messvorrichtung (174) eingerichtet ist, um einen Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle (122) zu erfassen.
Sensorvorrichtung (166) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sensorvorrichtung (166) mindestens eine erste elektrische Energiequelle (169) und mindestens eine zweite elektrische Energiequelle (172) aufweist, wobei die erste elektrische Energiequelle (169) mit der ersten Pumpzelle (120) verbunden ist und eingerichtet ist, um die erste Pumpzelle (120) mit mindestens einer physikalischen Größe zu beaufschlagen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Pumpstrom, einer Pumpspannung, wobei die zweite elektrische Energiequelle (172) mit der zweiten Pumpzelle (122) verbunden ist und eingerichtet ist, um die zweite Pumpzelle (122) mit mindestens einer physikalischen Größe zu beaufschlagen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Pumpstrom, einer Pumpspannung.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend eine Verwendung des Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorelement (110) betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen des Sensorelements (110); b) Beaufschlagen des Einstellbereiches (116) mit dem Gas aus dem Messgasraum (112); c) Einstellen einer Soll-Gaszusammensetzung in dem Einstellbereich (116) mittels der Messzelle (118) und der ersten Pumpzelle (120); und d) Erfassen eines Pumpstroms an der zweiten Pumpzelle (122).