DE102009029415A1

DE102009029415A1 - Sensorelement mit mehrteiliger Diffusionsbarriere

Info

Publication number: DE102009029415A1
Application number: DE200910029415
Authority: DE
Inventors: Henrico Runge
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24
Also published as: CN102483389B; CN102483389A; WO2011029671A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (122) vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (122). Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine erste Elektrode (112), mindestens eine zweite Elektrode (114) und mindestens einen die erste Elektrode (112) und die zweite Elektrode (114) verbindenden Festelektrolyten (116). Die erste Elektrode (112) ist über einen Gaszutrittsweg (124) mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschlagbar. Der Gaszutrittsweg (124) weist mindestens eine Diffusionsbarriere (130) auf, welche mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) aufweist. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) ist feinporiger ausgestaltet als der erste Diffusionsbarrierenbereich (138).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft des Gases, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln. Insbesondere wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente, mittels derer ein Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas bestimmt werden kann, also beispielsweise ein Partialdruck und/oder eine Konzentration dieser Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff. Das Sensorelement kann insbesondere eingesetzt werden, um eine Luftzahl λ in einem Abgas einer Brennkraftmaschine zu messen. Derartige Sensorelemente werden auch als Lambdasonden bezeichnet und sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Auf die dortigen Ausführungen kann exemplarisch Bezug genommen werden, und die dargestellten Sensorelemente können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden. Insbesondere können die Sensorelemente einen oder mehrere Festelektrolyte umfassen, insbesondere keramische Festelektrolyte, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid.
Für die Messung einer Gaszusammensetzung im Dieselabgas werden beispielsweise Grenzstrom-Magersonden als Einzellersonden benötigt, welche durch eine eindeutige Magerkennlinie gekennzeichnet sind. Voraussetzung hierfür ist eine Abschirmung einer Pumpzellenanode vom Abgas und die damit einhergehende Eigenschaft der Sonde, anodische Oxidationsreaktionen von Brenngaskomponenten auszuschließen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf WO 2008/080698 verwiesen werden.
Im Vergleich zu Lambdasonden zur Messung von Abgaszusammensetzungen von Benzinmotoren müssen insbesondere Lambdasonden für Messungen im Dieselabgas zusätzliche Forderungen erfüllen, welche aus der speziellen Betriebsweise, den Betriebsbedingungen und den Auswertemechanismen resultieren. Diesbezüglich ergeben sich bei herkömmlichen Lambdasonden jedoch zahlreiche technische Herausforderungen. Eine erste technische Herausforderung besteht in Fertigungsstreuungen, welche insbesondere auf ein vergleichsweise komplexes Design zurückzuführen sind. Beispielsweise ergeben sich Streuungen hinsichtlich der Grenzströme und hinsichtlich der so genannten k-Werte, welche das Verhältnis eines Knudsen-Anteils zu einem Gasphasen-Anteil bei der Diffusion des in die Sonde eintretenden Gases charakterisieren (siehe diesbezüglich beispielsweise WO 2008/080698 ). Durch fertigungsbedingte Streuung des Messstroms, also des Grenzstroms I_p, der über eine Diffusionsbarriere im keramischen Sensorelement als Messgröße für λ eingestellt wird, muss gegenwärtig nach Herstellung der keramischen Sensorelemente der Grenzstrom entweder am Sensorelement oder durch nachträgliche Trimmung elektronischer Bauteile auf die TKU-Kennlinie angepasst werden. Auf diesen Abgleich kann verzichtet werden, wenn beim Schubbetrieb, d. h. unter definierten Bedingungen, die Sonde neu kalibriert wird. Dies gelingt jedoch in der Regel nur, wenn der Grenzstrom um maximal 20% vom Sollwert abweicht. Unter Berücksichtigung alterungsbedingter Streuungen bedeutet dies eine Grenzstrom-Streuung von weniger als 10% im Neuzustand. Dies ist das maximal zulässige Maß für die fertigungsbedingte Streuung. Um dies zu gewährleisten, wird ein Design benötigt, welches unanfällig ist gegenüber Fertigungstoleranzen, insbesondere bei der Herstellung eines Diffusionsweges.
Eine weitere Herausforderung besteht in der Einstellung der benötigten k-Werte, der Mittelwertverschiebung (MWV) und der dynamischen Druckabhängigkeit (DDA) für die geforderte Messgenauigkeit. Unter der dynamischen Druckabhängigkeit ist dabei die Zeit- und/oder Frequenzabhängigkeit des Sondensignals bei einer Gesamtdruckänderung zu verstehen. Als Folge von dynamischen Druckpulsen treten Schwankungen im Pumpstrom Ip bei Breitbandlambdasonden auf (dynamische Druckabhängigkeit, DDA). Der Mittelwert des Pumpstroms ist gegenüber dem bei gleichem Mitteldruck gemessenen statischen Mitteldruck erhöht. Um dieses Phänomen zu beschreiben wurde der Begriff der Mittelwertverschiebung (MWV) eingeführt. Um insbesondere im Dieselabgas die geforderten Messgenauigkeiten einhalten zu können, ist es erforderlich, die statische Druckabhängigkeit, d. h. den k-Wert, zu reduzieren, wobei der Einfluss auf andere funktionelle Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung und/oder die dynamische Druckabhängigkeit gering bleiben soll. Funktionell bedingt vergrößern sich jedoch mit Abnahme des k-Wertes andere, die Genauigkeit der Sonde beeinflussende Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung. Die Realisierung kleiner k-Werte, insbesondere für Dieselanwendungen, bzw. die gezielte Einstellung von k-Werten über einen großen Bereich, beispielsweise generell für spezielle Einsatzbedingungen, insbesondere im Benzinmotor, vor einem Turbolader oder Ähnlichem, ohne dass die Werte für die Mittelwertverschiebung bzw. die dynamische Druckabhängigkeit bestimmte, an die Genauigkeit angepasste Grenzen überschreiten, bedarf der Entwicklung eines neuen, innovativen Diffusionsbarrieren-Designs.
Eine dritte Herausforderung besteht insbesondere in einer Versottungs- und/oder Vergiftungsresistenz der Sensorelemente. Der Versottungs- und/oder Vergiftungsmechanismus und die Versottungs- und/oder Vergiftungsanfälligkeit im Dieselabgas sind aufgrund der Abgaszusammensetzung, der Abgastemperatur, des Drucks und ähnlicher Größen unterschiedlich zu den entsprechenden Mechanismen bzw. Anfälligkeiten im Abgas eines Benzinmotors. Das Design der Sensorelemente muss dieser Tatsache Rechnung tragen und sowohl hinsichtlich der Versottung im Diffusionsweg als auch hinsichtlich der Vergiftung im Elektrodendesign und/oder im Elektrodenhohlraumdesign entsprechend angepasst werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere ein Sensorelement gemäß einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensorelemente. Insbesondere kann das Sensorelement zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum eingesetzt werden. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Die erste Elektrode ist über einen Gaszutrittsweg mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Beispielsweise kann die erste Elektrode im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise im Inneren eines Schichtaufbaus. Der Gaszutrittsweg kann beispielsweise einen oder mehrere Kanäle und/oder Bohrungen umfassen, durch welche insgesamt das Gas und/oder eine Gaskomponente aus dem Messgasraum zu der ersten Elektrode gelangen kann, beispielsweise durch Strömungs- und/oder Diffusionsmechanismen.
Der Gaszutrittsweg weist mindestens eine Diffusionsbarriere auf. Unter einer Diffusionsbarriere ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Element zu verstehen, mittels dessen, durch Einstellung entsprechender Diffusions- und/oder Strömungsmechanismen, beispielsweise ein Grenzstrom einstellbar ist. Insbesondere kann die Diffusionsbarriere, wie unten näher ausgeführt wird, mindestens ein poröses Material umfassen. Die Diffusionsbarriere soll insgesamt eingerichtet sein, um ein einfaches Einströmen von Gas zu der ersten Elektrode zumindest zu begrenzen und kann somit beispielsweise auch oder vornehmlich als Strömungsbarriere wirken, damit nachgelagerte offene Kanäle als Diffusionswiderstand überhaupt fungieren können und nicht durch Durchströmung überwunden werden.
Im Unterschied zu herkömmlichen Diffusionsbarrieren wird bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement vorgeschlagen, die Diffusionsbarriere mindestens zweiteilig auszugestalten. So weist die Diffusionsbarriere mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich auf. Diese mindestens zwei Diffusionsbarrierenbereiche können vorzugsweise unmittelbar aneinander angrenzen, können jedoch auch beabstandet voneinander in dem Gaszutrittsweg angeordnet sein.
Das Sensorelement kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum zunächst durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs hindurchtritt, dann durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich und anschließend erneut durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich bzw. einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Die Anordnung kann derart ausgestaltet sein, dass das Gas senkrecht durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hindurchtritt, beispielsweise hindurchströmt und/oder hindurchdiffundiert, insbesondere senkrecht zu einer Schichtstruktur eines Schichtaufbaus des Sensorelements, und lateral durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, beispielsweise parallel zur Schichtstruktur. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass zunächst ein senkrechtes Durchströmen und/oder eine senkrechte Gasdiffusion durch einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs erfolgt, gefolgt von einer lateralen Durchströmung und/oder Gasdiffusion durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, gefolgt von einem erneuten senkrechten Durchströmen und/oder einer erneuten senkrechten Diffusion durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs.
Die Diffusionsbarriere kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass der erste Diffusionsbarrierenbereich zu einem überwiegenden Anteil zu einem Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere beiträgt, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Strömungsbarriere und/oder Homogenisator am Anfang und/oder Ende der Diffusionsbarriere wirkt.
In Richtung des Gaszutrittswegs kann insbesondere die Anordnung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs und des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf geeignete Weise erfolgen, so dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich oder Teile des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs als Strömungsbarriere und/oder als Homogenisator wirken und dass der erste Diffusionsbarrierenbereich als eigentliche Diffusionsbarriere bewirkt. Dabei kann beispielsweise ein erster Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs am Anfang der Diffusionsbarriere angeordnet sein, welcher beispielsweise eine poröse Struktur als Strömungsbarriere aufweist und welcher den geringsten Anteil am Gesamtdiffusionswiderstand aufweist. Diesem kann der erste Diffusionsbarrierenbereich folgen, welcher beispielsweise eine offene Struktur umfassen kann und welcher einen Hauptanteil am Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere bewirken kann. An diesen wiederum kann sich ein zweiter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs anschließen, der als Homogenisator wirken kann und damit eine homogene Elektrodenanbindung an die offene Struktur des ersten Diffusionsbarrierenbereichs bewirken kann. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann beispielsweise eine geringere poröse Struktur aufweisen als der erste Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann auch ganz oder teilweise mit dem ersten Teil identisch sein, beispielsweise indem der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Schicht ausgebildet ist, welche mehrfach durchströmt wird.
Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch entfallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbesondere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgradient, z. B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle.
Der Gaszutrittsweg soll dabei derart ausgestaltet sein, dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich dem ersten Diffusionsbarrierenbereich vorgelagert und/oder nachgelagert ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode zunächst den zweiten Diffusionsbarrierenbereich passieren muss, um in den ersten Diffusionsbarrierenbereich zu gelangen (vorgelagert) und/oder dass das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode den ersten Diffusionsbarrierenbereich durchtritt, um dann durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hin zur ersten Elektrode zu gelangen. Auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten ist möglich, so dass beispielsweise das Gas zunächst einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs durchtritt, bevor das Gas dann in den ersten Diffusionsbarrierenbereich eintritt, um schließlich durch einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs zur ersten Elektrode zu gelangen.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich soll dabei feinporiger ausgestaltet sein als der erste Diffusionsbarrierenbereich. Dies bedeutet allgemein, dass in dem zweiten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Knudsen-Diffusion höher sein soll als im ersten Diffusionsbarrierenbereich, wohingegen im ersten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Gasphasendiffusion größer sein soll als im zweiten Diffusionsbarrierenbereich. Der Begriff der Porosität bedeutet dabei nicht notwendigerweise, dass auch der erste Diffusionsbarrierenbereich vollständig mit einem porösen Material ausgestaltet ist. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann der erste Diffusionsbarrierenbereich grundsätzlich porös (jedoch grob poröser als der zweite Diffusionsbarrierenbereich) ausgestaltet sein oder, alternativ, auch offenporig und/oder vollständig offen, jedoch nach wie vor eine Diffusion begrenzend. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich, welcher feinporig ausgestaltet ist, wirkt somit zumindest überwiegend als Strömungsbegrenzung, wohingegen der erste Diffusionsbarrierenbereich zumindest überwiegend als Diffusionsbarriere wirkt. Es wird also eine Diffusionsbarriere vorgeschlagen, welche funktionell eine Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrierenkombination darstellt.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein poröses Material mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften aufweisen: Eine Porengröße zwischen 0,03 μm und 3 μm; eine Porosität zwischen 5% und 60%, insbesondere eine Porosität kleiner als 40%. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Dicke, also eine Erstreckung parallel zur lokalen Richtung des Gaszutrittswegs, zwischen 10 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 100 μm, aufweisen.
Der erste Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Mehrzahl, d. h. beispielsweise 2, 3, 4 oder mehrere, von sich längs des Gaszutrittswegs erstreckenden Kanälen umfassen. Diese Kanäle haben vorzugsweise eine Höhe von 5 bis 50 Mikrometer, insbesondere von 10 bis 25 Mikrometer, eine Breite von 50 bis 500 Mikrometer, insbesondere von 100 bis 150 Mikrometer, und eine Länge von 500 bis 5000 Mikrometer, insbesondere von 1200 bis 3000 Mikrometer. Dabei kann der Gaszutrittsweg derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen in diese Kanäle eintritt. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg zu diesem Zweck gewinkelt ausgestaltet sein. Auch eine leichte Abweichung von einem senkrechten Eintritt ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Abweichung unter einem Winkel von nicht weniger als 45°.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise zumindest teilweise als Strömungsbarrierenschicht ausgebildet sein und/oder mindestens eine derartige Strömungsbarrierenschicht umfassen. Diese Strömungsbarrierenschicht kann insbesondere eine laterale Erstreckung aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Kanäle ist. Die Strömungsbarrierenschicht kann dabei die Kanäle insbesondere zumindest teilweise bedecken. Der Gaszutrittsweg kann derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode zunächst die Strömungsbarrierenschicht mindestens einmal durchtritt, dann die Kanäle durchtritt und anschließend optional die Strömungsbarrierenschicht mindestens ein weiteres Mal durchtritt. Auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode gleich in die Kanäle eintritt, ohne zuvor die Strömungsbarrierenschicht zu durchtreten, um dann nach Austritt aus den Kanälen die Strömungsbarrierenschicht zu durchdringen, um zur ersten Elektrode zu gelangen, ist denkbar.
Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen, mit mehreren Schichtebenen. Der erste Diffusionsbarrierenbereich und der zweite Diffusionsbarrierenbereich können dabei in unterschiedlichen, vorzugsweise aneinander angrenzenden, Schichtebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Diffusionsbarrierenbereich ganz oder teilweise auf den zweiten Diffusionsbarrierenbereich aufgedruckt sein oder umgekehrt. Beispielsweise kann die Strömungsbarrierenschicht des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf die Kanäle des ersten Diffusionsbarrierenbereichs aufgedruckt werden. Der Gaszutrittsweg kann darüber hinaus einen in einer weiteren, vorzugsweise von den genannten Schichtebenen verschiedenen Schichtebene angeordneten Elektrodenhohlraum der ersten Elektrode aufweisen. Unter einem Elektrodenhohlraum ist dabei ein an die Elektrode angrenzender offener oder mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium gefüllter Hohlraum zu verstehen, welcher ein Gasreservoir vor der Elektrode bildet. Der Elektrodenhohlraum sollte in diesem Fall der Diffusionsbarriere nachgelagert sein.
Weiterhin kann der Gaszutrittsweg einen in einer weiteren Schichtebene, welche auch mit der Schichtebene des Elektrodenhohlraums identisch sein kann, angeordneten Anbindungshohlraum aufweisen. Dieser Anbindungshohlraum ist der Diffusionsbarriere vorgelagert und steht, vorzugsweise ohne Diffusionsbegrenzung und/oder Strömungsbegrenzung, mit dem Messgasraum in Verbindung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Gaszutrittsbohrung senkrecht zu den Schichtebenen und/oder parallel zu den Schichtebenen vorgesehen sein, beispielsweise an einer Stirnseite des Sensorelements. Wie oben bereits ausgeführt, kann der zweite Diffusionsbarrierenbereich, insbesondere ein dem ersten Diffusionsbarrierenbereich nachgelagerter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, vorzugsweise einen größeren Diffusionswiderstand aufweisen als ein Gasdiffusionswiderstand des Anbindungshohlraums.
Das Sensorelement gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen weist gegenüber bekannten Sensorelementen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Vorgeschlagen wird ein neues Diffusionsbarrierenkonzept, welches sowohl in der Fertigbarkeit als auch bezüglich der Einstellung statischer und/oder dynamischer Funktionsmessgrößen sowie den erhöhten Anforderungen an die Versottungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz den Ansprüchen zukünftiger Sensorelementgenerationen entspricht. Die vorgeschlagene Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrierenkombination, verbunden mit optimierten Elektrodenhohlraumanbindungen und Anbindungen ans Abgas, kann diesen Forderungen Rechnung tragen. Der Hauptdiffusionswiderstand, also der größere Anteil des gesamten Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere, soll an dem ersten Diffusionsbarrierenbereich abfallen. Dieser kann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch Kanäle, insbesondere durch offene Kanäle, realisiert werden. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich hingegen kann insbesondere als feinporöse Schicht (Strömungsbarrierenschicht), beispielsweise mit Porengrößen zwischen 0,03 μm und 3 μm und/oder einer Porosität zwischen 5% und 60%, ausgestaltet sein und kann beispielsweise die Kanäle großflächig abdecken. Durch die Ausgestaltung dieser Strömungsbarrierenschicht im Diffusionsweg wird sowohl ein großer Eintrittsbereich für das Gas als auch eine minimale Diffusionsweglänge realisiert. Dadurch wirkt diese Strömungsbarrierenschicht vornehmlich als Strömungsbarriere, also als Dämpfungselement, mit einem geringen, jedoch durch die Schichtdicke einstellbaren Anteil am Gesamtdiffusionswiderstand. Der Gaszutritt zum Diffusionsweg wird beispielsweise durch Öffnungen in einer diese Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrieren-Kombination abdeckenden, gasdichten Abdeckschicht realisiert. Diese Öffnungen ermöglichen beispielsweise einerseits über einen Anbindungshohlraum und insbesondere ein Gaszutrittsloch (beispielsweise seitlich, stirnseitig und/oder gebohrt) die abgasseitige Anbindung und andererseits über den optionalen Elektrodenhohlraum die Anbindung zur ersten Elektrode. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorelements liegen insbesondere in einer verbesserten Fertigbarkeit, einer Möglichkeit einer Einstellung des k-Werts sowie einer erhöhten Versottungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz.
Insgesamt trägt das vorgeschlagene Design den erhöhten Anforderungen an eine neue Grenzstromsensorengeneration bzw. Sensorelementgeneration für Diesel- und Benzinmotoren Rechnung. Für Dieselanwendungen lassen sich insbesondere kleine k-Werte einstellen, bzw. für andere Anwendungen lassen sich k-Werte in einem großen Bereich einstellen. Geringe Diffusionswiderstände über ein feinporöses Medium (Knudsendiffusion) werden durch das vorgeschlagene Design sicher reproduzierbar gewährleistet, aufgrund eines großen Eintrittsbereichs, eines kleinen Diffusionswegs senkrecht zur Druckrichtung der Strömungsbarriere. In Kombination mit einer offenen Kanalstruktur und dem höheren Diffusionswiderstand (Gasphasendiffusion) sind kleine k-Werte realisierbar. Diese unabhängig voneinander bezüglich des k-Wertes und des Diffusionswiderstands einstellbaren Strömungs- und Diffusionswiderstände ermöglichen aufgrund der speziellen Anordnung der Strömungs-Diffusionsbarrieren-Kombination eine Anpassung und/oder Einstellung der statischen und dynamischen Größen über einen weiten Bereich. Weiterhin ergeben sich geringe Mittelwertverschiebungen und/oder dynamische Druckabhängigkeiten bei kleinen k-Werten. So kann beispielsweise der vorgelagerte zweite Diffusionsbarrierenbereich einen k-Wert von größer als 0,2 bar oder mehr aufweisen. Der nachgelagerte erste Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise einen k-Wert von weniger als 0,2 bar aufweisen. Bei einem kleinen Gesamt-k-Wert kann durch die dem Hauptdiffusionswiderstand in Form des ersten Diffusionsbarrierenbereichs beispielsweise nachgelagerte Strömungsbarriere in Form des nachgelagerten zweiten Diffusionsbarrierenbereichs mit an eine abgedeckte Fläche angepasstem Diffusionswiderstand die Strömungsbelastung des Elektrodenanbindungshohlraums im Bereich des Übergangs zur Diffusionsbarriere homogenisiert und das Volumen entsprechend minimiert werden. Dadurch kann bei der Realisierung von kleinen k-Werten der Anstieg der DDA/MWV gedämpft werden, da das Elektrodenhohlraumvolumen direkt mit den dynamischen Größen korreliert. Neben dieser Wirkung über das Elektrodenhohlraumvolumen wirkt die Strömungsbarriere als dem Hauptdiffusionswiderstand vorgelagerter und optional auch nachgelagerter Knudsen-Diffusionswiderstand (Strömungsbarriere) generell als Dämpfungselement. Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch entfallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbesondere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgradient, z. B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle.
Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Versottungsresistenz. Eine vorgelagerte, feinporöse Strömungsbarriere in Form des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, beispielsweise mit einer Porosität von weniger als 40%, wirkt wie ein vorgelagerter Filter. Das vorgeschlagene Design bietet die Möglichkeit, den Eingangsbereich großflächig zu gestalten und damit eine kleine Strömungsdichte zu erzielen und durch die Realisierung von Strömungsgradienten im Filter den Einfluss der Versottung, d. h. der Verstopfung der Filterporen, auf die Kennlinie zu minimieren. Durch Strömungsdichtegradienten im vorgelagerten Filter können parallele Leitungspfade geschaffen werden, die bis zu einem gewissen Grad der Versottung, d. h. durch Partikel zugesetzte Poren im Eingangsbereich, diese Versottung kompensieren können, ohne über die Lebensdauer des Sensorelements die funktionellen Größen über die erlaubte Toleranz hinaus zu beeinflussen.
Weiterhin ergibt sich durch das vorgeschlagene Design eine erhöhte Vergiftungsresistenz. Eine homogene Elektrodenbelastung und damit eine verbesserte Vergiftungsresistenz werden durch eine homogene Strömungsbelastung des Elektrodenhohlraums, welcher auch als Elektrodenanbindungshohlraum bezeichnet wird, gewährleistet. Diese wird dadurch gewährleistet, dass dem als eigentliche Diffusionsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich der als Strömungsbarriere wirkende erste Diffusionsbarrierenbereich nachgelagert ist, dessen Diffusionswiderstand der Elektrodenhohlraumgeometrie und/oder insbesondere an den Diffusionswiderstand der durch die Elektrode und/oder den Elektrodenanbindungshohlraum überdeckten Kanalenden in lateraler Richtung angepasst sein kann. Weitere Voraussetzung kann dabei die grundsätzlich durch das Design realisierbare zentrale Anordnung der ersten Elektrode über dem Gasaustritt sein.
Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Grenzstrom-Streuung und/oder der k-Wert-Streuung, welche in vielen Fällen eine Voraussetzung für einen Schubabgleich ist. Die verbesserte Fertigbarkeit des Gasdiffusionsweges und damit bedingt die geringere Streuung des Grenzstroms und des k-Wertes wird durch die vorgeschlagene neue Anordnung der Bestandteile der Diffusionsbarriere gesichert. Die Minimierung des Einflusses von Verschmierungen und/oder Überlappungen, welche bei herkömmlichen Sensorelementen insbesondere in den Randbereichen der Druckschichten auftreten, auf die Streuung der Grenzströme und/oder der k-Werte wird durch die optionale, zur Druckrichtung senkrechte Durchströmung der gedruckten Bestandteile der Diffusionsbarriere und/oder weiterer Bestandteile des Gaszutrittswegs, insbesondere der Anbindungselemente, erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
2 eine perspektivische Detaildarstellung einer Diffusionsbarriere des Sensorelements gemäß 1; und
3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Ausführungsbeispiele
In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 in verschiedenen Darstellungen gezeigt. Es handelt sich um ein Ausführungsbeispiel einer Breitband-Lambdasonde. Für weitere Details derartiger Breitband-Lambdasonden und die Betriebsweise derartiger Lambdasonden kann beispielsweise auf den oben bereits genannten Stand der Technik oder beispielsweise die DE 10 2006 062 060 A1 verwiesen werden. Es handelt sich um eine Grenzstrom-Magersonde mit einer eindeutigen Kennlinie. Das Sensorelement 110 weist einen Schichtaufbau auf, mit einer ersten Elektrode 112, einer zweiten Elektrode 114 und einem diese beiden Elektroden 112, 114 verbindenden Festelektrolyten 116, beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid. Die beiden Elektroden 112, 114 sind dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in derselben Schichtebene angeordnet. Auch andere Anordnungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Anordnung mit übereinanderliegenden Elektroden 112, 114, bei welchen die Elektroden 112, 114 beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten 116 angeordnet sind.
Weiterhin weist das Sensorelement 110 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel optional eine auf der Oberfläche des Sensorelements 110 angeordnete Reduzierelektrode 118 auf. Diese Reduzierelektrode 118 dient einer Verringerung und optional einer Einstellbarkeit eines Innenwiderstands einer die erste Elektrode 112, die zweite Elektrode 114 und den Festelektrolyten 116 umfassenden Pumpzelle. Die Funktionsweise der Reduzierelektrode ist beispielsweise in DE 10 2006 062 060 A1 beschrieben, auf welche auch bezüglich weiterer möglicher Details des Sensorelements 110 verwiesen werden kann.
Die zweite Elektrode 114 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Referenzluftkanal 120 angeordnet. Dieser Referenzluftkanal 120 kann beispielsweise die zweite Elektrode 114 mit einem Referenzluftraum verbinden, beispielsweise einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs. Der Begriff des „Referenzluftkanals” 120 ist dabei weit zufassen und kann beispielsweise auch einen Abluftkanal umfassen. So kann beispielsweise an der zweiten Elektrode 114 ausgebautes Gas über den Referenzluftkanal 120 entweichen. In diesem Fall stellt der Referenzluftkanal 120 einen Abluftkanal dar. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen die zweite Elektrode 114 direkt oder indirekt mit einem Messgasraum 122 in Verbindung steht.
Die erste Elektrode 112 ist über einen Gaszutrittsweg 124 mit Gas aus dem Messgasraum 122 beaufschlagbar. Dieser Gaszutrittsweg 124 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen in der Schichtebene der Elektroden 112, 114 angeordneten Anbindungshohlraum 126, einen Abschnitt 128, einen Abschnitt 128 mit einer Diffusionsbarriere 130 und einen ebenfalls in der Schichtebene der Elektroden 112, 114 angeordneten Elektrodenhohlraum 132. Nicht dargestellt in 1 ist eine Anbindung des Anbindungshohlraums 126 an den Messgasraum 122, welche beispielsweise durch eine stirnseitige Bohrung, einen Kanal in den Schichtebenen und/oder eine Gaszutrittsbohrung senkrecht zu den Schichtebenen realisiert werden kann. Der Diffusionsweg, welchen das Gas auf dem Weg durch den Gaszutrittsweg 124 zurückzulegen hat, ist in 1 symbolisch mit dem Pfeil 134 bezeichnet.
Die Diffusionsbarriere 130 ist in dem Schichtaufbau unterhalb der Schichtebene mit den Elektroden 112, 114 angeordnet und von dieser Schichtebene durch eine Abdeckschicht 136 getrennt. Wie insbesondere aus der perspektivischen Detaildarstellung in 2 hervorgeht, ist die Diffusionsbarriere 130 erfindungsgemäß zweiteilig ausgestaltet und weist einen ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 in Form von parallel zum Diffusionsweg 134 verlaufenden Kanälen 140 auf, sowie einen darüber liegenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 in Form einer feinporigen Strömungsbarrierenschicht 144. Während diese beiden Bereich 138, 142 begrifflich zu einer Diffusionsbarriere 130 zusammengefasst sind, wirkt tatsächlich der zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 eigentlich als Strömungsbarriere, wohingegen die eigentliche Diffusionsbarriere durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 gebildet wird. Die Strömungsbarrierenschicht 144 bedeckt dabei die Kanäle 140 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig, so dass Gas auf dem Gaszutrittsweg 124 zunächst die Strömungsbarrierenschicht 144 durchtreten muss, dann in die Kanäle 140 eintritt, durch diese in Richtung des Elektrodenhohlraums 132 strömt und dann ein zweites Mal durch die Strömungsbarrierenschicht 144 in den Elektrodenhohlraum 132 eintreten muss.
Der erste Diffusionsbarrierenbereich 138 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein und kann beispielsweise die Kanäle 140 in Form von porös gefüllten, gering porös gefüllten, teilweise gefüllten und/oder strukturierten Kanälen umfassen. Dieser erste Diffusionsbarrierenbereich 138 stellt den Hauptdiffusionswiderstand dar und dient beispielsweise zur Einstellung von kleinen k-Werten im Bereich beispielsweise zwischen 0,01 bar < k < 0,3 bar. Je nach Füllung lassen sich jedoch auch abgestimmte k-Werte einstellen, beispielsweise im Bereich zwischen 0,01 bar < k < 5 bar.
Die Strömungsbarrierenschicht 144 des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 stellt hingegen eine feinporöse Strömungsbarrierenschicht dar. Es handelt sich um einen Bereich mit hohem k-Wert, beispielsweise k > 0,3 bar. Diese Strömungsbarrierenschicht 144 deckt die Kanäle großflächig ab, was eine Dämpfung und eine Filterwirkung erzeugt. Weiterhin bewirkt diese Strömungsbarrierenschicht 144 einen Einströmungsdichtegradienten. Sie gewährleistet zudem eine homogene Strömungsbelastung und/oder Diffusionsbelastung des Elektrodenholraums 132 und/oder des Anbindungshohlraums 126. Sie leistet einen geringen Beitrag zum Gesamtdiffusionswiderstand und somit zum gesamten Grenzstrom I_p sowie zum gesamten k-Wert. Über die Dicke und/oder die Porosität dieser Strömungsbarrierenschicht 144 kann Einfluss auf dynamische und/oder statische Größen genommen werden, beispielsweise die oben beschriebenen Größen der MWV, der DDA und des k-Werts. Hierdurch kann beispielsweise ein Optimum bei einem gegebenen k-Wert und einer Mittelwertverschiebung hinsichtlich der Sondengenauigkeit eingestellt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sondengeometrien, bei welchen beispielsweise der Anbindungshohlraum 126, die Diffusionsbarriere 130 und der Elektrodenhohlraum 132 durch sich überlappende Druckschichten hergestellt werden, welche ursächlich sind für Streuungen des Grenzstroms I_p und des k-Werts, haben bei dem erfindungsgemäßen Design des Sensorelements 110 und insbesondere der mehrteiligen Diffusionsbarriere 130 Hohlraumverschmierungen durch Ungenauigkeiten beim Druck keinen Einfluss auf den Diffusionswiderstand und somit auch nicht auf funktionelle Größen, wie beispielsweise I_p und den k-Wert. Zudem ergibt sich eine erhöhte Versottungsresistenz durch die poröse Strömungsbarrierenschicht 144 mit großer Eintrittsfläche, d. h. einer geringen Einstromdichte, und ausreichend parallelen Strömungspfaden und/oder Diffusionspfaden über die Kanäle 140, durch Realisierung von Einstromdichtegradienten über der Eintrittsfläche. Der Elektrodenhohlraum 132 und die Oberfläche der ersten Elektrode 112 können insbesondere zentral übereinander und oberhalb der Diffusionsbarriere 130 angeordnet sein, wobei beispielsweise die erste Elektrode 112 zentral über dem Elektrodenhohlraum 132, welcher auch als Elektrodenanbindungshohlraum wirkt, angeordnet sein kann.
Insgesamt weist das beschriebene Sensorelement 110, welches exemplarisch in den 1 und 2 dargestellt ist und über die mehrteilige Diffusionsbarriere 130 verfügt, gegenüber herkömmlichen Sensorelementen 110 eine Reihe von Vorteilen und zusätzlichen Optionen auf. So verfolgen herkömmliche Breitbandsonden in der Regel das Konzept, dass der Diffusionsweg parallel zur Druckrichtung ausgebildet wird und die Diffusionselemente vom Gas lateral nacheinander durchströmt werden. Hierzu ist es notwendig, die Einström- und/oder Austrittsbereiche von porösen Diffusionsbarrieren durch Hohlräume an den Gasweg, beispielsweise ein gebohrtes Gaszutrittsloch, anzubinden. Sowohl Diffusionsbarrieren als auch Hohlräume werden dafür mehrfach in Dickschicht-Technik auf eine Folienunterlage mit einem Sicherheitsüberlapp nebeneinander gedruckt. Nicht zu vermeidende Verschmierungen und das Auslaufen der Druckschichten verursachen eine beträchtliche Streuung beim Überlapp der Diffusionselemente, beispielsweise von Hohlräumen und Diffusionsbarrieren. Da die Diffusionsart im Hohlraum (Gasphasendiffusion dominiert) und der Diffusionsbarriere (Knudsendiffusion und Gasphasendiffusion, je nach Porengrößeverteilung im Verhältnis 0,1 bis 5) stark unterschiedlich ist, resultieren hieraus hohe Werte für die Streuung des Gesamtdiffusionswiderstands und somit im Grenzstrom I_P und k-Wert. Daher muss bisher bei allen Seriensensorelementen in der Regel der Grenzstrom am neuen Sensorelement abgeglichen werden.
Das in den 1 und 2 dargestellte neue Konzept der Diffusionsbarriere 130 hingegen sieht vor, dass der Diffusionsweg grundsätzlich senkrecht zur Druckrichtung durch die beispielsweise im Siebdruck in diesem Fall übereinander hergestellten Elemente der Diffusionsbarriere 130 erfolgen muss. Insbesondere durchtritt das Gas die Diffusionsbarriereschicht 144 im Wesentlichen senkrecht, um in die Kanäle 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 zu gelangen. Dadurch wird der Einfluss von Verschmierungen an den Kanten der Druckschichten und den lateralen Diffusionsbarrieren-Hohlraumanbindungen an die Diffusionsbarriere 130 eliminiert und die fertigungsbedingte Streuung bezüglich des Grenzstroms und/oder des k-Werts minimiert. Die verbleibenden Streuungen, verursacht durch eine uneinheitliche Schichtdicke über das Laminat hinweg, kann beispielsweise durch eine Schubabgleichsstrategie gegebenenfalls weiter eliminiert werden. Eine Anbindung an die als eigentlicher Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere 130 wirkenden Kanäle 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 erfolgt beispielsweise durch Druckschichten, insbesondere die mindestens eine Strömungsbarrierenschicht 144. Auf diese Weise kann eine Anbindung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138, welcher den eigentlichen Diffusionswiderstand bereitstellt, an die Hohlräume 126 und/oder 132 gewährleistet werden. Die Strömungsbarrierenschicht 144 wird senkrecht durchströmt. Die Kanäle 140, also der Bereich, in welchem der Hauptdiffusionswiderstand abfällt, erfahren senkrecht zur Druckschicht der Strömungsbarrierenschicht 144 eine flächige, senkrecht zur Druckrichtung verlaufende Eindiffusion. I_p und k-Wert werden durch Verschmierungen aller den Diffusionswiderstand bestimmenden Druckschichten nicht beeinflusst.
Der Elektrodenhohlraum 132 kann auch mehrteilig ausgestaltet sein und kann, wie in 1 angedeutet, unterhalb des eigentlichen Elektrodenhohlraums 132 einen Elektrodenanbindungshohlraum 146 umfassen, welcher an die Strömungsbarrierenschicht 144 angebunden ist. Bevor das Gas senkrecht in den Elektrodenanbindungshohlraum 146 einströmt und sich homogen im Elektrodenhohlraum 132 verteilen kann, diffundiert das Gas in den Kanälen 140, welche den Hauptdiffusionswiderstand bereitstellen. Die Länge des Diffusionsweges in den Kanälen 140 und somit die Größe des Diffusionswiderstands kann insbesondere durch den Abstand der Öffnungen in der Abdeckschicht 136 und somit lediglich durch einen gut definierten Prozessschritt bestimmt werden. Die Kanäle 140 können insbesondere eine Länge zwischen 0,5 und 5 mm aufweisen, insbesondere von 1,5 mm. Die Öffnungen in der Abdeckschicht 136 werden so platziert, dass die auslaufenden Kanalenden der Kanäle 140 keinen Beitrag zum Diffusionswiderstand leisten. Der Einfluss der Verschmierungen an den Enden der Kanäle 140 auf den Grenzstrom und/oder den k-Wert kann dadurch eliminiert werden.
Verbleibende Differenzen in den Öffnungsgeometrien, fertigungstechnisch verursacht beispielsweise durch ein Auslaufen und/oder Verschmieren beim Druck der Abdeckschicht 136, haben zudem einen nur marginalen Einfluss auf die Größe des Diffusionswiderstandes, da die Länge des Diffusionsweges um ca. einen Faktor 100 größer ist als die zu erwartenden Differenzen in den Öffnungsgeometrien. Das vorgeschlagene Design erfüllt dadurch die Forderungen an eine geringe Neuwertstreuung der Grenzströme zur Eliminierung eines Sensorelementabgleichs, welcher hohe Kosten verursacht, zu Gunsten einer Umsetzung eines Abgleichs über eine Schubabgleichsstrategie in Dieselanwendungen.
Weiterhin kann das in den 1 und 2 gezeigte Design des Sensorelements 110 leicht angepasst werden, um dynamische und/oder statische Messgrößen zu optimieren. So ist beispielsweise für die Genauigkeit der Messung im Dieselabgas ein kleinerer k-Wert erforderlich, beispielsweise k < 0,3 bar, bezüglich der gesamten Diffusionsbarriere 130. Dieser k-Wert ist kleiner als der üblicherweise in herkömmlichen Lambdasonden realisierte k-Wert, welcher typischerweise oberhalb von 0,4 bar liegt. Mittels des erfindungsgemäßen Designs wird der Diffusionsweg 134 derart gestaltet, dass der Anteil der Gasphasendiffusion am Gesamtdiffusionswiderstand gegenüber der Knudsendiffusion entsprechend angehoben werden kann. Des Weiteren kann es essentiell sein, dass das Design für einen kleinen k-Wert derart ausgelegt wird, dass die Mittelwertverschiebung nicht derart erhöht wird, dass diese den Vorteil der verbesserten Genauigkeit bei kleinen k-Werten zunichte macht. Aufgrund des Trends, dass die Mittelwertverschiebung bei Reduzierung des k-Werts ansteigt, muss für ein Maximum an Sondengenauigkeit beim Betrieb im Dieselabgasstrang ein Optimum für beide Werte gefunden und gezielt eingestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Design der Diffusionsbarriere 130 mit dem als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 und dem als eigentlicher Diffusionswiderstand wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 mit seinen offenen oder offenporigen Kanälen 140 kann genau diese Optimierung erreicht werden. Der Gaszutrittsweg 124 ist derart gestaltet, dass der Hauptdiffusionswiderstand an den offenen oder offenporigen Kanälen 140 des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 abfällt. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 wird durch die großflächige Strömungsbarrierenschicht 144 realisiert, welche feinporös ausgestaltet wird. Der Gaszutritt wird durch die Öffnungen in der dichten Abdeckschicht 136 realisiert. Durch die offenen oder offenporigen Kanäle 140 wird der Hauptdiffusionswiderstand hauptsächlich durch die Gasphasendiffusion getragen, und die geforderten k-Werte zwischen 0,01 bar und 0,3 bar werden je nach Strukturierung, Breite und Höhe der Kanäle 140 für die Anwendung im Dieselmotor erreicht. Dem Diffusionswiderstand der offenen Kanäle 140 ist der zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 in Form der Strömungsbarrierenschicht 144 vor- und/oder nachgelagert. Dieser zweite Diffusionsbarrierenbereich 142 kann als Schicht aus feinporösem Material realisiert werden und kann die Kanäle 140 großflächig abdecken. Der Gaszutritt zu diesem zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 wird, wie oben dargestellt, durch Öffnungen in der Abdeckschicht 136 realisiert, welche in den Figuren allgemein mit den Bezugsziffern 148, 150 bezeichnet sind. Da der Diffusionswiderstand in der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 um ein Vielfaches größer ist als in den Kanälen 140, diffundiert das Abgas senkrecht durch diese, beispielsweise als Druckschicht ausgebildete Strömungsbarrierenschicht 144, welche beispielsweise eine Dicke von 20 bis 100 μm aufweist, in die Kanäle 144.
Das Design kann so ausgelegt werden, dass der Diffusionswiderstand der porösen Diffusionsbarriereschicht 144 aufgrund der senkrechten Durchströmung dieser Schicht und durch die geringe Schichtdicke (Weglänge) im Vergleich zum Widerstand in den Kanälen 140 um Größenordnungen kleiner ist. Das Design stellt also sicher, dass der resultierende Gesamt-Grenzstrom und der resultierende Gesamt-k-Wert nur begrenzt durch diese als Strömungsbarriere fungierende Diffusionsbarriereschicht 144 beeinflusst wird. Der k-Wert und der Grenzstrom der Kanäle 140 bestimmen den k-Wert bzw. den Grenzstrom des Sensorelements 110. Weiterhin kann die poröse Strömungsbarrierenschicht 144 einen dämpfenden Effekt aufweisen, der die DDA und die MWV nicht überdimensional ansteigen lässt. Diese feinporöse Strömungsbarriere in Form der Strömungsbarrierenschicht 144 sorgt im Austrittsbereich der Diffusionsbarriere 130 insgesamt auch dafür, dass auch der hintere Elektrodenhohlraum 132 und/oder dessen Elektrodenanbindungshohlraum 146 homogen belastet wird. Wird der als Strömungsbarriere wirkende zweite Diffusionsbarrierenbereich 142, beispielsweise die Strömungsbarrierenschicht 144, bezüglich des Diffusionswiderstandes so ausgelegt, dass bereits an der gesamten Grenzfläche zu dieser Strömungsbarrierenschicht 144 der Elektrodenhohlraum 132 und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum 146 homogen durchströmt wird, so kann eine homogene Elektrodenbelastung der ersten Elektrode 112 bei minimierter Anbindungshohlraumhöhe realisiert werden. Die Reduzierung des Volumens des Elektrodenhohlraums 132 auf ein technisches Minimum ist jedoch eine Grundvoraussetzung für niedrige Werte der DDA bzw. der MWV. Das vorgeschlagene Design mit der speziellen Anordnung von Diffusionsbarrieren und Strömungsbarrieren bietet also erstmalig die Möglichkeit, kleine k-Werte, homogene Elektrodenbelastung bei minimierter Elektrodenhohlraumhöhe und eine moderate MWV/DDA ineinander zu vereinen. Wirkt die Strömungsbarrierenschicht 144 über die gesamte Anbindungsfläche vollständig homogenisierend, so kann die Elektrodenhohlraumhöhe gegebenenfalls auf Null reduziert werden. Wirkt die Strömungsbarrierenschicht 144 nur bedingt homogenisierend aufgrund zu hoher Porosität und/oder zu geringer Schichtdicke, so sollte über eine Vergrößerung der Elektrodenhohlraumhöhe eine Homogenisierung erreicht werden.
Der Elektrodenhohlraum 146 kann beispielsweise eine Höhe zwischen 20 und 200 Mikrometern aufweisen.
Die Strömungsbarrierenschicht 144 kann auch lediglich dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138, welcher als Diffusionsbarrierenschicht wirken kann, nachgelagert sein oder lediglich vorgelagert sein. Insbesondere kann dies im Zusammenhang mit der Ausgestaltung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs 138 in Form der Kanäle 140 realisiert werden. Auf diese Weise kann die Strömungsbarrierenschicht beispielsweise als Homogenisierungsschicht wirken bzw. ausgestaltet sein. Die Homogenisierungsschicht sollte insbesondere in diesem Fall und zum Zweck der Homogenisierung eine geringere Porosität aufweisen als der erste Diffusionsbarrierenbereich 138, welcher vorzugsweise in Form der Kanäle 140 ausgestaltet ist.
Je nach Schichtdicke und Porosität der Strömungsbarrierenschicht 144 kann dabei der Anteil des Diffusionswiderstandes dieser Schicht am Gesamtdiffusionswiderstand und somit am Grenzstrom, am k-Wert, an der DDA und der MWV und die Gasverteilung, wenn auch nicht unabhängig voneinander, so jedoch je Einsatzbedingungen gezielt für eine hohe Genauigkeit eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei dem vorgeschlagenen Designkonzept zur gezielten Einstellung dieser statischen und/oder dynamischen Größen Layoutanpassungen nur in einem sehr begrenzten Umfang notwendig sind. Ist beispielsweise die MWV bei den kleinen einzustellenden k-Werten zu hoch, so kann bereits durch Anpassung der Schichtdicke der Strömungsbarrierenschicht 144 und/oder eine Verringerung der Porosität des Materials der Anteil des Diffusionswiderstands der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 (Knudsendiffusion) am Gesamtdiffusionswiderstand erhöht werden, was mit einer Anhebung des k-Werts und einer Verringerung der MWV einhergeht. Je nach Anforderung und Einsatzbedingung kann so ein Optimum an Sondengenauigkeit erreicht werden. In Verbindung mit der Möglichkeit, über die Kanalgeometrie und/oder die Kanalfüllungen der Kanäle 140 zusätzlich Einfluss auf die Diffusionswiderstandsanteile und/oder die Diffusionseigenschaften und damit die dynamischen und/oder statischen Größen zu nehmen, erhöht sich die Möglichkeit der Optimierung.
Mit dem Design der unabhängig voneinander variierbaren Diffusionsbarrierenbereiche 138, 142, welche als Diffusionswiderstand bzw. als Strömungswiderstand wirken, können demzufolge in einem weiten Bereich dynamische und/oder statische Größen relativ einfach und breit variiert werden, insbesondere bei Hochtemperaturgrenzstromsonden, indem beispielsweise die Kanalstrukturierung (z. B. über reproduzierbare Engstellen), die Kanalgeometrie (beispielsweise über den Eintrittsquerschnitt und/oder die Länge), die Kanalfüllung (offen, porös, offen und porös) einerseits und das Material (Porosität) und Geometrie (Dicke, Eintrittsfläche) der Strömungsbarrierenschicht 144 andererseits entsprechend ausgelegt werden können.
Das vorgeschlagene Design des Sensorelements 110 zeichnet sich auch durch eine gegenüber herkömmlichen Sensorelementen erheblich verbesserte Versottungs- und Vergiftungsresistenz aus. So ist der Eingangsbereich der kombinierten Strömungs-/Diffusionsbarriere 130 so gestaltet, dass Partikel, je nach Größe und in Abhängigkeit von der Dicke und Porosität bzw. Zusammensetzung der Strömungsbarrierenschicht 144, welche als Strömungsbarriere wirkt, dort am Weitertransport behindert werden. Der Partikelstrom zur ersten Elektrode 112 hin wird durch die Filterwirkung der porösen Strömungsbarrierenschicht 144 zumindest weitgehend unterbunden, unter Beibehaltung des kleinen k-Wertes, da die durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 gebildete Strömungsbarriere durch das vorgeschlagene Designkonzept sehr dünn gestaltet werden kann und somit der Beitrag dieses Knudsen-Diffusionswiderstandes zum Gesamtdiffusionswiderstand gering gehalten werden kann.
Um dabei ein Versotten des Eintrittsbereichs, der als Filter wirkt, zu minimieren, ermöglicht das vorgeschlagene Design, den Eingangsbereich der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144 um ein Vielfaches größer gegenüber herkömmlichen Sensorelementen 110 zu gestalten. Die Einstromdichte wird dadurch um einen Faktor von 3 bis 15 verringert, und die Versottungsanfälligkeit drastisch reduziert. Zusätzlich wird durch das Design ein Einstromdichtegradient (einstellbar über die Fläche, die Dicke und die Porosität) erzeugt. Dadurch wird der Einfluss einer Versottung, beispielsweise durch eine Verstopfung der Poren der Strömungsbarrierenschicht 144, des Diffusionsbarriereneingangsbereichs auf das Sondensignal minimiert, indem zuerst die Bereiche mit der größten Einstromdichte versotten und Bereiche mit einer anfänglich geringeren Einströmungsdichte dies über die Lebenszeit des Sensorelements 110 kompensieren können. Da diese parallelen Leitungspfade bei dem vorgeschlagenen Design den Diffusionsweg des Hauptdiffusionswiderstands der darunterliegenden Kanäle 140 nur unwesentlich verlängern, hat dies bis zu einem gewissen Versottungsgrad keinen oder lediglich einen unwesentlichen Einfluss auf die Kennlinie des Sensorelements 110. Trotz der kleinen k-Werte bietet das vorgeschlagene Design also die Möglichkeit, über eine große Eintrittsfläche, Einstromdichtegradienten und Variation der Dicke und/oder Porosität des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 die Versottungsresistenz entscheidend zu verbessern.
Die verbesserte Vergiftungsresistenz, also die geringere Anfälligkeit der Elektrode 112 gegenüber einer Vergiftung, wird durch die homogene Stromdichteverteilung an der als Einbauelektrode fungierenden ersten Elektrode 112 gesichert. Im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten mit einer lateralen Durchströmung von Diffusionswiderständen und/oder Elektrodenhohlräumen und damit verbunden inhomogenen Elektrodenbelastungen (Stromdichteverteilungen) kann bei dem vorgeschlagenen Designkonzept des Sensorelements 110 die Elektrode 112 mit ihrer Elektrodenoberfläche senkrecht zum Diffusionsweg 134 angeordnet werden, beispielsweise über den senkrecht zur Diffusionsrichtung angeordneten Elektrodenhohlraum 132. Da auch dieser Elektrodenhohlraum 132 homogen belastet werden kann, kann die als Strömungsbarriereschicht wirkende Strömungsbarrierenschicht 144 am Gasaustritt der Diffusionsbarriere 130 bewirken. Es wird darauf hingewiesen, dass diese als Strömungsbarriere wirkende Strömungsbarrierenschicht 144 an der zweiten Öffnung 150 hin zum Elektrodenhohlraum 132 identisch oder getrennt von der Strömungsbarrierenschicht 144 an der ersten Öffnung 144 hin zum Anbindungshohlraum 126 ausgestaltet werden kann. In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine gemeinsame Strömungsbarrierenschicht 144. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Zur besseren Fertigbarkeit und/oder Prozesssicherheit ist die Verwendung einer einzigen Strömungsbarrierenschicht 144 bevorzugt. Die Dicke, die Porosität und die Austrittsfläche der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144 sollte für diese homogene Belastung jedoch an die Hohlraumhöhe, die Elektrodenfläche und den gesamten Diffusionswiderstand angepasst werden.
Für eine homogene Elektrodenbelastung und eine geringe MWV ist es optimal, wenn insbesondere im Bereich der zweiten Öffnung 150 bei dem Elektrodenanbindungshohlraum 146 eine Strömungsbarriere mit angepasster Dicke und/oder Porosität realisiert wird, deren Diffusionswiderstand höher ist als der derjenige der Kanäle 140 im Bereich der zweiten Öffnung 150. Dadurch wird über den gesamten Bereich der Anbindungsfläche des Elektrodenhohlraums 132 an den als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 eine homogene Belastung gewährleistet, und der Elektrodenhohlraum 132 kann bezüglich der Höhe minimiert werden und somit auch die durch das Volumen des Elektrodenhohlraums 132 verursachte DDA und/oder MWV.
Alternativ können Strömungsinhomogenitäten an der Anbindungsfläche des Elektrodenhohlraums 132 durch eine Vergrößerung der Hohlraumhöhe für eine homogene Elektrodenbelastung, d. h. homogenere Stromdichteverteilung, teilweise ausgeglichen werden, was jedoch in der Regel auf Kosten der dynamischen Sondeneigenschaften realisiert wird.
Das vorgeschlagene Design bietet also die Möglichkeit, trotz einer minimalen Elektrodenhohlraumhöhe und dadurch bedingt geringer MWV, die Vergiftungsresistenz zu erhöhen, indem eine nachgelagerte, als Strömungswiderstand wirkende Diffusionsbarriereschicht 144 mit angepasstem Diffusionswiderstand als Abdeckschicht über dem als eigentliche Diffusionsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 mit kleinem k-Wert (Kanäle 140) eine homogene Elektrodenhohlraumbelastung und homogene Stromdichteverteilung der ersten Elektrode 112 gewährleistet wird.
Aus den obigen Ausführungen ist auch ersichtlich, dass die Anforderungen an den als Strömungsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 im Eingangsbereich der ersten Öffnung 148 und im Austrittsbereich der zweiten Öffnung 150 der Diffusionsbarriere 130 je nach geforderter Auslegung des Diffusionsbarrierendesigns zur Einstellung des Grenzstroms und/oder des k-Werts und zur Auslegung des Sensorelements, insbesondere der Pumpzelle, unterschiedlich sein können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Anpassung an eine unterschiedliche Elektrodengeometrie, an unterschiedliche Stromdichten oder Ähnliches gewährleistet werden.
Beispielsweise können die Anforderungen an den zweiten Diffusionsbarrierenbereich 142 im Bereich des Gaseintritts an der Öffnung 148 eine geringere Schichtdicke der Strömungsbarrierenschicht 144 erfordern, eine hohe Porosität, eine geringe Porengröße bei geringem Diffusionswiderstandsanteil dieses Teils des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142 am Gesamtdiffusionswiderstand der Diffusionsbarriere 130. Hierdurch kann eine Filterwirkung und die Erzeugung von Strömungsdichtegradienten im Eintrittsbereich die Versottungsresistenz bei kleinem k-Wert des Sensorelements garantieren.
Die Ausgestaltung des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, welcher dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 nachgelagert ist, also im Bereich der zweiten Öffnung 150, kann hingegen unterschiedlich erfolgen. So kann beispielsweise die Anpassung des Diffusionswiderstands des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, welcher dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 nachgelagert ist, also beispielsweise im Bereich der zweiten Öffnung 150, im Austrittsbereich für eine homogene Durchströmung des Elektrodenanbindungshohlraums 146 und somit für eine homogene Elektrodenbelastung zur Gewährleistung der Vergiftungsstabilität einen höheren Diffusionswiderstand erfordern als im Eingangsbereich an der ersten Öffnung 148, also dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 vorgelagert.
Auch diese Überlegung kann bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement 110 berücksichtigt werden. Das Design bietet die Möglichkeit einer Anpassung insofern, dass beim Herstellen der Strömungsbarrierenschicht 144, beispielsweise beim Siebdruck, diese Strömungsbarrierenschicht 144 beispielsweise vorgelagert und nachgelagert dem ersten Diffusionsbarrierenbereich 138 unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. So können beispielsweise vorgelagert und nachgelagert Materialien mit unterschiedlicher Porosität gedruckt werden, oder es kann die Anzahl der Druckschritte vorgelagert und nachgelagert unterschiedlich gestaltet werden und somit über die Höhe der vorgelagerten bzw. nachgelagerten Strömungsbarrierenschicht 144 unterschiedliche Diffusionseigenschaften für den Eingangs- und Ausgangsbereich eingestellt werden.
Alternativ können, je nach Auslegung des Diffusionswiderstands der Kanäle 140 und der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144, die Größe der Öffnungen 148, 150 in der Abdeckschicht 136 für die Hohlraumanbindungen im Eingangsbereich und Ausgangsbereich der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht 144 angepasst werden und dadurch die Diffusionswiderstände unterschiedlich gestaltet werden. Um bei einem generell hohen Diffusionswiderstand des als Strömungsbarriere wirkenden zweiten Diffusionsbarrierenbereichs 142, insbesondere der Strömungsbarrierenschicht 144, zur Gewährleistung einer homogenen Elektrodenhohlraumhöhe auch Strömungsdichtegradienten im Eingangsbereich zu erzeugen, ist die Öffnung 148 im Eingangsbereich vorzugsweise entsprechend groß zu wählen, um den Diffusionswiderstand an dieser Stelle zu verringern.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht zunächst in weiten Teilen im Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, so dass weit gehend auf die obige Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
Im Unterschied zum obigen Ausführungsbeispiel zeigt 3, dass grundsätzlich die erste Elektrode 112 und die zweite Elektrode 114 auch in unterschiedlichen Schichtebenen des Schichtaufbaus angeordnet sein können. So ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die zweite Elektrode 114, welche beispielsweise zweiteilig ausgestaltet sein kann, in einer höheren Schichtebene und auf gegenüberliegenden Seiten eines Festelektrolyten 116 oder mehrerer Festelektrolytschichten angeordnet.
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ein Gaszutritt 152 auf einer Stirnseite 154 des Sensorelements 110 angeordnet. Auch dies ist nicht zwingend erforderlich. So zeigt das Ausführungsbeispiel in 3, dass der Gaszutritt 152 auch auf einer Oberseite 156 des Schichtaufbaus des Sensorelements 110 vorgesehen sein kann und mit der Diffusionsbarriere 130 oder dem optionalen Anbindungshohlraum 126 beispielsweise durch ein Gaszutrittsloch 158, welches den Schichtaufbau durchdringt und beispielsweise als Bohrung ausgestaltet sein kann, verbunden sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/080698 [0002, 0003]
DE 102006062060 A1 [0030, 0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]

Claims

Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (122), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (122), umfassend mindestens eine erste Elektrode (112), weiterhin umfassend mindestens eine zweite Elektrode (114) und mindestens einen die erste Elektrode (112) und die zweite Elektrode (114) verbindenden Festelektrolyten (116), wobei die erste Elektrode (112) über einen Gaszutrittsweg (124) mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschlagbar ist, wobei der Gaszutrittsweg (124) mindestens eine Diffusionsbarriere (130) aufweist, wobei die Diffusionsbarriere (130) mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) aufweist, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) feinporiger ausgestaltet ist als der erste Diffusionsbarrierenbereich (138).
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) dem ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) vorgelagert und/oder nachgelagert ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Gas aus dem Messgasraum (122) zunächst durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) hindurchtritt, dann durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und anschließend erneut durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gas durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) senkrecht zu einer Schichtstruktur hindurchtritt und durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) lateral zur Schichtstruktur hindurchtritt.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) zu einem überwiegenden Anteil zu einem Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere (130) beiträgt, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) als Strömungsbarriere und/oder Homogenisator am Anfang und/oder Ende der Diffusionsbarriere (130) wirkt.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) ein poröses Material mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften aufweist: eine Porengröße zwischen 0,03 μm und 3 μm; eine Porosität zwischen 5% und 60%, insbesondere eine Porosität kleiner als 40%.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) eine Dicke zwischen 10 μm und 200 μm, insbesondere eine Dicke zwischen 20 μm und 100 μm, aufweist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) eine Mehrzahl von sich längs des Gaszutrittswegs (124) erstreckenden Kanälen (140) umfasst.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Gas aus dem Messgasraum (122) auf dem Weg zur ersten Elektrode (112) im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen (140) in die Kanäle (140) eintritt.
Sensorelement (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) zumindest teilweise als Strömungsbarrierenschicht (144) ausgebildet ist und/oder mindestens eine Strömungsbarrierenschicht (144) umfasst, wobei die Strömungsbarrierenschicht (144) eine laterale Erstreckung aufweist, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Kanäle (140) ist.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strömungsbarrierenschicht (144) die Kanäle (140) zumindest teilweise bedeckt.
Sensorelement (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaszutrittsweg (124) derart eingerichtet ist, dass Gas aus dem Messgasraum (122) auf dem Weg zur ersten Elektrode (112) die Strömungsbarrierenschicht (144) zunächst mindestens einmal durchtritt, dann die Kanäle (140) durchtritt und anschließend die Strömungsbarrierenschicht (144) mindestens ein weiteres Mal durchtritt.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) einen Schichtaufbau aufweist, wobei der erste Diffusionsbarrierenbereich (138) und der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) in unterschiedlichen, vorzugsweise aneinander angrenzenden Schichtebenen angeordnet sind.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gaszutrittsweg (124) weiterhin einen in einer weiteren Schichtebene angeordneten Elektrodenhohlraum (132) der ersten Elektrode (112) umfasst, wobei der Elektrodenhohlraum (132) der Diffusionsbarriere (130) nachgelagert ist.
Sensorelement (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaszutrittsweg (124) weiterhin einen in einer weiteren Schichtebene angeordneten Anbindungshohlraum (126) aufweist, wobei der Anbindungshohlraum (126) der Diffusionsbarriere (130) vorgelagert ist.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142), insbesondere ein dem ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) nachgelagerter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs (142), einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als ein Gasdiffusionswiderstand des Anbindungshohlraums (126).