特許 5794983 ガスの特性を求めるためのセンサ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5794983

(24)【登録日】2015年8月21日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】ガスの特性を求めるためのセンサ素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20150928BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20150928BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/46 331

   G01N27/46 327C

   G01N27/46 327G

   G01N27/46 327J

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-518833(P2012-518833)

(86)(22)【出願日】2010年4月20日

(65)【公表番号】特表2012-531613(P2012-531613A)

(43)【公表日】2012年12月10日

(86)【国際出願番号】EP2010055158

(87)【国際公開番号】WO2011000584

(87)【国際公開日】20110106

【審査請求日】2012年3月5日

(31)【優先権主張番号】102009027276.3

(32)【優先日】2009年6月29日

(33)【優先権主張国】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(74)【代理人】

【識別番号】100112793

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳大

(72)【発明者】

【氏名】ハンス−イェルク レンツ

(72)【発明者】

【氏名】イェンス シュナイダー

【審査官】 野村 伸雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−０９０２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７８９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２９４６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２９４６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２９４６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２７１４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３１８９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２２２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３６６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５６２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０５６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０５６１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定ガス空間（１１８）内のガス成分を検出するためのセンサ素子（１１２）であって、
前記センサ素子（１１２）は少なくとも１つの第１のセル（１２０）と少なくとも１つの第２のセル（１５６）とを有し、
前記第１のセル（１２０）は少なくとも１つの第１の電極（１３０）と少なくとも１つの第２の電極（１４２）とを有し、さらに、該第１の電極（１３０）と該第２の電極（１４２）とを接続する第１の固体電解質（１３２）を有し、
前記第２のセル（１５６）は少なくとも１つの第３の電極（１５８）と少なくとも１つの第４の電極（１６２）とを有し、さらに、該第３の電極（１５８）と該第４の電極（１６２）とを接続する第２の固体電解質（１７０）を有し、
前記第２の電極（１４２）は少なくとも１つの第１の電極空洞（１４８）内に配置されており、前記第４の電極（１６２）は少なくとも１つの第２の電極空洞（１６６）内に配置されており、
前記第１の電極空洞（１４８）には前記測定ガス空間（１１８）からのガスが供給され、前記第２の電極空洞（１６６）には該第１の電極空洞（１４８）からのガスが供給され、
前記第１の固体電解質（１３２）および前記第２の固体電解質（１７０）はそれぞれ、少なくとも１つの固体電解質材料を含み、
前記固体電解質材料は、該固体電解質材料のイオン伝導度より低いイオン伝導度を有する少なくとも１つの支持部材（１４０）に埋め込まれており、
前記支持部材（１４０）は少なくとも１つの支持材料を含み、
前記支持材料は少なくとも１つの絶縁材料を含み、
前記絶縁材料は、
最大５０％の割合のガラス相を含む、酸化アルミニウムであるセラミック酸化物を含むかまたは当該セラミック酸化物から成り、
前記第１のセル（１２０）は少なくとも２つの部分セル（１２２，１２４）を有し、
前記少なくとも２つの部分セル（１２２，１２４）は相互に依存せずに動作可能である、
ことを特徴とする、センサ素子。

【請求項2】

前記第１の電極空洞（１４８）と前記第２の電極空洞（１６６）とは、前記ガスまたは該ガス中の少なくとも１つのガス成分の通流および／または拡散を少なくとも部分的に制限する少なくとも１つの制限部材（１６８）によって分離されている、請求項１記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項3】

前記少なくとも１つの制限部材（１６８）が拡散バリア（１５４）である、請求項２記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項4】

前記センサ素子（１１２）は多層構成体を有する
請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項5】

前記多層構成体は、ラミネート法によって相互に結合されたセラミック膜の形態の少なくとも２つの前記支持部材（１４０）を有する、
請求項４記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項6】

前記支持部材（１４０）の少なくとも一部はフレームとして形成されており、
前記フレームは前記第１のセル（１２０）および／または前記第２のセル（１５６）を少なくとも部分的に包囲する、
請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項7】

前記フレームは、前記第１の固体電解質（１３２）および／または前記第２の固体電解質（１７０）を包囲する、
請求項６記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項8】

前記第２の電極（１４２）および前記第４の電極（１６２）はそれぞれ異なる触媒特性を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項9】

前記センサ素子（１１２）はさらに、少なくとも１つの第５の電極（１７６）と少なくとも１つの第６の電極（１８０）とを有する少なくとも１つの監視セル（１７４）を含み、
前記監視セル（１７４）は、前記第５の電極（１７６）と前記第６の電極（１８０）とを接続し少なくとも１つの電解質材料を含む少なくとも１つの第３の固体電解質（１８２）を有し、
前記第５の電極（１７６）は前記第１の電極空洞（１４８）内に配置されており、
前記第６の電極（１８０）は少なくとも１つの基準ガス空間としての基準空気流路（１７８）内に配置されており、
前記固体電解質材料は前記支持部材（１４０）に埋め込まれている、
請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ素子（１１２）。

【請求項10】

請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素子（１１２）を少なくとも１つ含む、センサシステム（１１０）であって、
前記センサシステム（１１０）は、前記第１のセル（１２０）と前記第２のセル（１５６）とをポンプカスケード構成体として動作させるように構成されていることを特徴とする、センサシステム。

【請求項11】

前記センサシステムは、排ガス中の窒素酸化物を検出するセンサシステム、または、広帯域酸素センサシステムである、請求項１０記載のセンサシステム（１１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を検出するための公知のセンサ素子に関する。前記測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性はたとえば、物理的および／または化学的に検出可能な特性である。とりわけこの特性は、前記ガスの少なくとも１つのガス成分の割合であり、この特性はたとえば該ガス成分の分圧またはパーセンテージである。前記少なくとも１つのガス成分はたとえば、酸素および／または窒素酸化物（ＮＯｘ）である。このようなセンサ素子の基本的構成は従来技術から公知であり、たとえばRobert Bosch GmbH による「Sensoren im Kraftfahrzeug」第２版、２００７年４月、第１５４〜１５９頁に記載されている。基本的に、本発明においても、同文献中に開示されたセンサ構成を本発明に応じて修正することができる。

【0002】

従来、上述のセンサ素子に共通する点、とりわけ排ガス酸素センサ（いわゆるラムダセンサ）または排ガスＮＯｘセンサに共通する点、とりわけ、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン用の未処理エミッション用の電気化学的排ガスＮＯｘセンサに共通する点は、該センサ素子が、たとえばイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）等である固体電解質膜から成る積層体として作製されたセラミックセンサ素子を含むことである。このようなセンサは通常、電気化学的な動作原理で動作し、たとえばＮＯｘを検出するためには、１つまたは複数のポンプセル（ポンプカスケード）を介して排ガス中のＮＯｘの割合を段階的に上昇させ、最後のチャンバ内において、たとえば電流測定によって求める。上述のようなセンサは、ダブルチャンバ式センサまたはマルチチャンバ式センサとも称され、また、ポンプセルカスケードセンサとも称される。このようなセンサの動作原理では通常、複数のネルンストセルおよび／またはポンプセルが必要であり、このネルンストセルおよび／またはポンプセルは、センサ素子の全体構成内に組み込まれている。

【0003】

しかし、このような構成、とりわけマルチセル構成では通常、公知のセンサ素子において固体電解質が電解質としての機能を果たすだけでなく支持材料の機能も果たすという問題がある。それゆえ、この固体電解質の材料には機械的な安定性と熱衝撃耐性とに関して厳しい要件が課される。しかし、ドープ量が増大し、ひいてはイオン伝導度が上昇するにつれて、通常の固体電解質材料の機械的耐性および負荷容量は低下していくので（通常、最大耐性は最大伝導度に相当しない）、これらの条件が両立することは難しい。上述の問題に関連する別の技術的な問題に、漏れ電流の除去がある。たとえば必要とされる機械的安定性に起因して、ドープ量を任意に上昇させることができないにもかかわらず、センサ素子を動作させるためには所定のイオン伝導度を実現しなければならないので、温度を上昇させてセンサ素子を動作させる場合が多い。こうするためにはたとえば、１つまたは複数の加熱素子を使用する。しかし所定の条件になると、たとえば温度が上昇した場合、イオン伝導度によって、センサ素子中に妨害となる漏れ電流が発生してしまう。この漏れ電流はたとえば、センサ素子の電極と加熱素子との間に形成される。それゆえ通常は、センサ素子の動作には必要とされない領域において、加熱素子および電極の双方が絶縁され、この絶縁は手間を要する。多層構成体を使用する場合には通常、比較的下位の層平面にまで達するスルーコンタクトも同様に絶縁され、この絶縁も手間を要する。このように手間のかかる絶縁層の作製を行っても、センサ素子の製造時には通常、高い漏れ電流に起因する製造欠陥が生じる。

【0004】

発明の開示
それゆえ本発明では、公知のセンサ素子、センサ素子を含むセンサシステム、センサ素子の使用方法の欠点の少なくとも一部を回避する、ガス特性検出用のセンサ素子とセンサシステムとセンサ素子の使用とを開示する。このセンサ素子は、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの特性を検出するのに使用され、とりわけ混合気中のガス成分を検出するのに使用される。たとえば前記混合気は、内燃機関の排ガスであり、とりわけディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排ガスである。しかし、別の構成の測定ガス空間も基本的には可能であり、該測定ガス空間をたとえば別のセンサ素子のスペースや、比較的大きなセンサ素子のスペースとすることもできる。前記ガスの少なくとも１つの特性は、たとえば上述のように、該ガスに含まれるガス成分の割合とするかまたは該割合を含むことができる。すなわち前記少なくとも１つの特性を、ガス成分のパーセンテージおよび／または分圧とするか、または該少なくとも１つの特性は該ガス成分のパーセンテージおよび／または分圧を含むことができる。前記少なくとも１つのガス成分はとりわけ、酸素および／または窒素酸化物（ＮＯｘ）であり、このことに応じてセンサ素子を、たとえば電気化学的な排ガスＮＯｘセンサとして構成することができ、とりわけ未処理エミッション用の電気化学的な排ガスＮＯｘセンサとして構成することができる。前記センサ素子はとりわけ、後述のように、モノリシック構成とすることができる。すなわち、モノリシック型の電気化学的な排ガスＮＯｘセンサおよび／または排ガスＯ_２センサとすることができる。

【0005】

前記センサ素子は少なくとも１つの第１のセルと少なくとも１つの第２のセルとを含む。前記第１のセルは少なくとも１つの第１の電極と、少なくとも１つの第２の電極と、両電極を相互に接続する第１の固体電解質とを有している。前記第２のセルは少なくとも１つの第３の電極と、少なくとも１つの第４の電極と、両電極を相互に接続する第２の固体電解質とを有している。前記第２の電極は少なくとも１つの第１の電極空洞内に配置されており、前記第４の電極は少なくとも１つの第２の電極空洞内に配置されている。前記第１の電極空洞には、前記測定ガス空間中のガスが供給され、前記第２の電極空洞には、該第１の電極空洞中のガスが供給される。前記第１の固体電解質および前記第２の固体電解質はそれぞれ少なくとも１つの固体電解質材料を含み、該固体電解質材料は、該固体電解質材料のイオン伝導度よりも低いイオン伝導度を有する少なくとも１つの支持部材内に埋め込まれている。両固体電解質材料を別個のものとするか、または両固体電解質材料全体を同一とするか、または両固体電解質材料の一部を同一とすることができる。

【0006】

前記少なくとも１つの第１のセルは複数とすることもでき（たとえばポンプカスケードの場合には、該ポンプカスケードに含まれる第１のセルを２つまたは３つ以上とすることができる）、たとえば、前記第１の電極が前記測定ガス空間に直接または間接的に接続されるように、前記少なくとも１つの第１のセルを構成することができる。たとえば、少なくとも１つのガス透過層を介して前記第１の電極を前記測定ガス空間に接続し、この接続によって該第１の電極から該測定ガス空間へガスが輸送され、また逆に、該測定ガス空間から該第１の電極へガスが輸送されるようにすることができる。この構成の代わりに、前記第１の電極を、前記測定ガス空間および両電極空洞から分離された別の空間内に配置し、たとえば、該第１の電極において生成ないしは分解されたガスが該別の空間へ放出されるように構成することもできる。両電極はとりわけ、前記固体電解質材料に接続される電極材料を含むことができ、たとえば少なくとも１つの貴金属を含むことができる。とりわけ前記電極材料は、白金および／またはパラジウムおよび／またはロジウムとすることができ、とりわけ該電極材料を、少なくとも１つの貴金属セラミック化合物とすることができ、たとえばいわゆるサーメットとすることができる。前記第１の電極空洞はたとえば、前記センサ素子の多層構成体の比較的下位の層平面に配置することができ、該第１の電極空洞は前記測定ガス空間から分離されて設けられる。前記第１の電極空洞に前記測定ガス空間中のガスを供給するためには、たとえば少なくとも１つの開口および／または少なくとも１つの供給孔および／または別の形態の連通部を設けることができる。前記測定ガス空間と前記第１の電極空洞との連通部はたとえば、ガスおよび／または該ガス中の成分の通流および／または拡散を低減する部材を含むことができ、たとえば少なくとも１つの拡散バリアおよび／または少なくとも１つの通流バリアを含むことができる。前記少なくとも１つの拡散バリアはたとえば、少なくとも１つの多孔質材料を含むことができ、たとえば多孔質Ａｌ_２Ｏ_３を含むことができる。

【0007】

前記第１の電極空洞および前記第２の電極空洞は複数設けることができ、これら両電極空洞も相互に分離されて設けられることにより、該第１の電極空洞から該第２の電極空洞へのガス輸送またはその逆に該第２の電極空洞から該第１の電極空洞へのガス輸送が少なくとも制限されるように構成される。とりわけ、前記ガスの通流および／または拡散または該ガス中の少なくとも１つのガス成分の通流および／または拡散を少なくとも部分的に制限する少なくとも１つの制限部材によって、前記第１の電極空洞と前記第２の電極空洞とを分離することができ、とりわけ拡散バリアおよび／または少なくとも１つの通流バリアによって両電極空洞を分離することができる。基本的には、前記第１の電極空洞および前記第２の電極空洞を、前記少なくとも１つの制限部材によって相互に分離された、２つ以上の分離された複数の部分空洞とし、１つの同じ空洞とすることもできる。

【0008】

前記第３の電極もまた、前記測定ガス空間に直接または間接的に接続することができ、たとえばこの接続においても、少なくとも１つのガス透過性保護層および／または少なくとも１つの開口によって該第３の電極と該測定ガス空間とを接続することができる。このような構成によってたとえば、前記第３の電極と前記測定ガス空間との間において実質的に阻害されずにガス交換を行うことができる。また上記構成の代わりに、前記第３の電極も前記第１の電極と同様に、前記測定ガス空間と別個に設けられた別の空間内に配置することにより、たとえば該第３の電極において分解されたガスを該別の空間内に逃がすことができる。有利には、前記第３の電極と前記第１の電極とは別個に設けられる。しかし基本的には、前記第３の電極と前記第１の電極とを少なくとも部分的に同一部分とすることも可能である。

【0009】

たとえば、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解質とは、相互に別個の固体電解質として設けられる。その際には、上述の各セルが前記固体電解質を複数含むこともでき、たとえば複数の固体電解質フィールド（パッチ）として設けられた複数の固体電解質を含むこともできる。上記構成の代わりに、前記第１のセルと前記第２のセルとが、少なくとも１つの共通の固体電解質を共有することにより、該第１の固体電解質の構成部分と該第２の固体電解質の構成部分とが少なくとも部分的に同一であるように設けることもできる。しかし有利には、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解質とを別個に分離して設ける。

【0010】

相互に接続された前記第１のセルおよび前記第２のセルの他に、有利には別のセルを設けることもできる。この別のセルは場合によっては別の空洞に接続することもでき、該別の空洞を相互に接続することもできる。たとえば、前記第１のセルは複数の部分セルのカスケード構成体を含むことができ、その際には、これら複数の部分セルはまとまって１つの第１のセルとして機能し、たとえば、該第１のセルのカスケード構成体においてガス成分の高濃度化を行うことができる。このことについては後で詳述する。第２のセルも同様に複数設けることができる。

【0011】

前記支持部材は、最適な絶縁作用を実現できるように構成することができ、それと同時に、該支持部材は最適な耐性を実現するように構成することもでき、とりわけ前記固体電解質材料より高い機械的強度を有するように構成することもできる。このような構成により、前記センサ素子の安定性と電解質特性とを別個に最適化することができる。とりわけ前記支持部材は、前記第１のセルおよび／または前記第２のセルを機械的に安定化するために、少なくとも１つの支持膜を含み、および／または少なくとも１つの支持膜から作製される。このような支持膜により、耐性と絶縁作用とを最適化することができる。前記支持部材はとりわけ、少なくとも１つの絶縁材料を含む少なくとも１つの支持材料を含むことができ、とりわけ、少なくとも１つの絶縁材料を含む少なくとも１つの支持材料から作製することができる。前記絶縁材料は特に、たとえばＡｌ_２Ｏ_３等であるとりわけ酸化アルミニウムであるセラミック絶縁材料と、とりわけ酸化アルミニウムであるセラミック酸化物と、５％未満の割合の異種相（Fremdphase）を含む、とりわけ酸化アルミニウムであるセラミック酸化物と、最大５０％の割合のガラス相を含む、とりわけ酸化アルミニウムであるセラミック酸化物とのうち、少なくとも１つの材料を含むか、または少なくとも１つの材料から作製することができる。

【0012】

前記センサ素子はとりわけ多層構成体を含むことができる。すなわち、複数の層平面たとえば複数の膜が相互に重なって配置された構成体を含むことができる。前記多層構成体はたとえばラミネート法で作製することができ、場合によっては該ラミネート工程の後に、１つまたは複数の焼結工程を行うことができる。とりわけ前記多層構成体は少なくとも２つの支持部材を含むことができ、有利には３つ以上の支持部材を含むことができる。この支持部材はとりわけセラミック膜とすることができ、たとえばセラミック絶縁膜とすることができる。前記複数の支持部材は、たとえばラミネート法によって相互に接続することができ、とりわけ該ラミネート工程の後に、少なくとも１つの焼結工程を施すことができる。

【0013】

前記第１の固体電解質および前記第２の固体電解質を形成するのに使用される固体電解質材料は、とりわけ少なくとも１つの金属酸化物を含むことができ、特に、とりわけ二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）である少なくとも１つの酸化ジルコニウムを含むことができる。この金属酸化物はとりわけ、スカンジウム、イットリウム、セリウム、カルシウムのうち１つまたは複数のドープ材を用いて安定化および／またはドープすることができる。とりわけ前記固体電解質材料は、イットリウムおよび／またはスカンジウムおよび／またはカルシウムおよび／またはセリウムがドープされた二酸化ジルコニウムとすることができる。

【0014】

上述の支持部材で必要とされるのは、該支持部材が前記固体電解質材料のイオン伝導度より低いイオン伝導度を有することのみである。有利には、支持部材および／または固体電解質材料が電気伝導度を有するようには構成されないが、支持部材および／または固体電解質材料が電気伝導度も有する場合にはさらに、該支持部材の電気伝導度が該固体電解質材料の電気伝導度より低くなるように構成しなければならない。有利には、前記支持部材のイオン伝導度は前記固体電解質材料のイオン伝導度の少なくとも１／１０であり、有利には１／１００であるか少なくとも１／１０００である。前記支持部材および前記固体電解質材料に電気伝導度も存在する場合には、有利には、上述のイオン伝導度比を電気伝導度にも適用する。前記支持部材は、完全な絶縁特性を有する代わりに、少なくとも僅かなイオン伝導特性および／または電気伝導特性を有するように設けることもでき、たとえば該支持部材は、少なくとも１つの固体電解質材料を含むことができ、たとえば少なくとも１つの金属酸化物を含むことができ、有利には、前記セルの固体電解質材料に使用されるのと同じ金属酸化物を含むことができる。この場合にはたとえば、前記金属酸化物にドープされる量を、前記第１のセルおよび／または前記第２のセルの固体電解質材料のドープ量より少量にすることができる。このようにして、金属酸化物の形態の同一のマトリクス材料を使用することにより、良好なプロセス適合性を実現することができ、たとえば、支持部材の膨張特性とセルの固体電解質材料の膨張特性とが同様になり、および／または、支持部材の熱機械的特性とセルの固体電解質材料の熱機械的特性とを同様にすることができる。その際には、第１のセルの固体電解質と第２のセルの固体電解質とを同一にするか、または異なるものとすることができる。たとえば、前記支持部材の固体電解質材料は、二酸化ジルコニウムが混合された酸化アルミニウムを含むことができる。

【0015】

とりわけ、前記支持部材の全部または一部をフレームとして形成することができる。このフレームは、前記少なくとも１つの第１のセルおよび／または前記少なくとも１つの第２のセルを少なくとも部分的に包囲する。たとえば前記フレームは、前記支持部材の１つまたは複数の膜を含むことができる。この膜には、完全に閉じられた少なくとも１つの開口または少なくとも部分的に閉じられた少なくとも１つの開口が設けられる。たとえば、前記支持部材は少なくとも１つの膜を含み、多層構成体のラミネートおよび／または焼結前に該少なくとも１つの膜に前記少なくとも１つの開口が打ち抜きまたは切除によって設けられるかまたは別の手法によって設けられ、たとえば機械的な手法および／またはレーザ法によって設けられる。このようにしてたとえば、インレイ技術を実施することができる。このインレイ技術では、前記支持部材ないしは該支持部材の少なくとも１つの開口に前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質および／または場合によっては別の固体電解質をインレイの形態で使用することができる。たとえば、前記インレイの焼結前の厚さを１５０μｍ〜７５０μｍとし、焼結後の厚さを５０〜２５０μｍとすることができる。基本的には、前記インレイの厚さを別の厚さとすることもできる。その際には、前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質は、前記フレームのちょうど１つの開口を含むか、または、前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質を作製するために複数の開口をもうけることもできる。たとえば前記第１のセルは、前記支持部材に複数の開口を含むことができ、すなわち２つまたは３つ以上の開口を含むことができ、該開口にはそれぞれ、完全または部分的に第１の固体電解質が充填されており、たとえば亀の甲の模様の形態および／または複数の円形または多角形のインレイの形態で充填することができる。第２のセルおよび／または場合によっては前記センサ素子に含まれる別のセルも同様に構成することができる。

【0016】

前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質および／または場合によっては別のセルの別の固体電解質の固体電解質材料がとりわけ少なくとも１つのインレイの形態で挿入された少なくとも１つの開口を前記支持部材が有し、たとえば該開口をセルごとに少なくとも１つ有する上述のインレイ技術によって、該固体電解質の固体電解質材料と該支持部材とを相互に別個に最適化することができ、支持部材の材料の機械的安定性および／または絶縁特性を最適化することができると同時に、前記固体電解質ではそれに対して、電気的特性および／または電解質特性を最適化することができる。その際には、第１の固体電解質および／または第２の固体電解質の固体電解質材料のドープ量を、通常のセンサ素子の場合のドープ量より多くすることができ、このことによって場合によっては、より高いイオン伝導度を実現することができる。前記固体電解質材料を包囲する支持部材によって該固体電解質材料が機械的に安定化されることにより、通常は、ドープ量が多くなることに伴う機械的強度の低下を甘受することができる。

【0017】

別の有利な構成は、前記第１のセルおよび／または前記第２のセルの構成に関するものであり、前記第１のセルおよび前記第２のセルの前記電極空洞内に配置された電極はとりわけ、相互に異なる特性を有することができ、たとえば、ガスおよび／またはガス中の各成分に対する両電極の反応が相互に異なるようにすることができる。たとえば、前記第２の電極の触媒特性が前記第４の電極の触媒特性と異なるようにすることができ、たとえば前記第２の電極の触媒活性が第４の電極の触媒活性より小さくなるように、たとえば、該第２の電極が窒素酸化物を分解する触媒活性が、該第４の電極の窒素酸化物分解の触媒活性より小さくなるように、該第２の電極を構成することができる。こうするためにはたとえば、前記第２の電極の触媒特性が低下するように該第２の電極に「毒を添加」することができる。この第２の電極に毒を添加するためにはたとえば、該第２の電極に、窒素酸化物分解を阻止するための少なくとも１つの触媒毒を混合するか、または異なる手法によって触媒毒を添加する。たとえば、窒素酸化物分解を阻止するために第２の電極に金を添加し、たとえば金添加された白金電極または白金サーメット電極を構成することができる。このようにしてたとえば、前記第１の電極空洞内において、前記少なくとも１つの第１のセルをポンプセルとして設けることにより、窒素酸化物分解が行われることなく、該第１の電極空洞内に存在する酸素を少なくとも部分的に排出することができる。このようにして、前記第１の電極空洞内の窒素酸化物の濃度を上昇させることができ、該窒素酸化物はたとえば前記制限部材を介して前記第２の電極空洞内に到達することができる。このようにして、少なくとも第４の電極が内部に配置されたこの第２の電極空洞内において、たとえば窒素酸化物の分解が行われて酸素が発生する。この窒素酸化物の分解ではたとえば、ＮＯｘが酸素と窒素とに分解されるか、または、より小さい酸化数を有する窒素酸化物に分解される。このようにして前記第２のセルにおいて測定されるポンプ電流は、たとえば第２の電極空洞内の窒素酸化物濃度を表す尺度として使用することができる。

【0018】

上述のように、前記少なくとも１つの第１のセルは複数の部分セルを含むことができ、たとえば２つまたは３つ以上の部分セルを含むことができる。とりわけ、前記部分セルが相互に独立して動作可能であるように構成することができるが、その場合にも、前記部分セルはたとえば少なくとも１つの要素を共用することができ、たとえば少なくとも１つの電極および／または前記少なくとも１つの固体電解質を共用することができる。しかし、前記部分セルの少なくとも１つの要素はそれぞれ、１つの部分セルに対してのみ設けなければならない。このような構成ではたとえば、複数の部分セルを使用することにより、たとえば、第１の電極空洞内から酸素を排出することによって所定のガス成分の濃度を順次増大させるための、ポンプセルのカスケード構成を実現することができる。前記複数の部分セルは、第１の電極空洞の複数の別個の部分空間内に配置することができ、たとえば、該第１の電極空洞を複数の部分空間に分割することができる。これらの複数の部分空間はたとえば、１つまたは複数の制限部材によって、たとえば１つまたは複数の上述の制限部材によって相互に分離することができる。このようにして、１つの部分セルから次の部分セルへ、そのつど濃度が上昇していくガスを順次流入させることができ、および／または、１つの部分セルから次の部分セルへの拡散を行うことができる。このような複数の部分セルを通過した後に、前記少なくとも１つの第２の電極空洞内に流入および／または拡散していく。

【0019】

前記センサ素子はさらに、少なくとも１つの監視セルを含むことができる。前記第１のセルおよび／または前記第２のセルが有利にはポンプセルとして、前記センサ素子を規定通りに動作させるためのセンサシステム内または方法において動作し、その全部または一部をネルンストセルとして使用できるのに対し、前記監視セルは有利にはネルンストセルとして動作する。前記監視セルは少なくとも１つの第５の電極と少なくとも１つの第６の電極とを有し、さらに、該第５の電極と該第６の電極とを接続し少なくとも１つの固体電解質材料を含む第３の固体電解質を有する。前記監視セルの固体電解質材料に関しては、前記第１のセルおよび前記第２のセルの固体電解質材料に関して上述した事項を参照することができる。前記第３の固体電解質の全部または一部は、前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質と同一とすることができる。その際には、前記第５の電極が前記第１の電極空洞内に配置されるように前記監視セルが設けられる。前記第１の電極空洞が複数設けられている場合、前記第５の電極はこれら複数の第１の電極空洞のうち１つまたは複数またはすべての電極空洞内に配置することができる。複数の第５の電極を使用することもできる。それに対して第６の電極は、少なくとも１つの基準ガス空間内に、すなわち、既知のガス雰囲気が存在するかまたは既知のガス雰囲気に調整された空間内に配置される。この空間は有利には、前記測定ガス空間から分離された別個の空間である。たとえば前記基準ガス空間は、内部に既知の酸素濃度が存在する空間であり、とりわけ内部の空気率が既知である空間である。前記基準ガス空間はたとえば、大気中の空気が充填された空間とすることができる。この基準ガス空間の全部または一部を、基準空気流路として形成することもでき、たとえば、内燃機関の周辺に接続された基準空気流路として形成することもできる。また前記構成の代わりに、基準ガス空間の全部または一部を、前記測定ガス空間と一緒にまとめ、および／または、該測定ガス空間に連通させることもできる。

【0020】

有利には、前記第３の固体電解質の固体電解質材料も前記少なくとも１つの支持部材内に埋め込まれる。前記第３の固体電解質が前記支持部材に埋め込まれる可能な実施形態に関しては、前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質の上記説明を参照することができる。その際には、前記第１の固体電解質および／または前記第２の固体電解質が埋め込まれたのと同一の支持部材に前記第３の固体電解質を埋め込むことができ、また、該第３の固体電解質を別の支持部材に埋め込むこともできる。前記第１の固体電解質および前記第２の固体電解質も同一の支持部材に埋め込むことができ、また、第１の固体電解質と第２の固体電解質とをそれぞれ異なる支持部材に埋め込むこともできる。本発明ではさらに、上述の１つまたは複数の実施形態のセンサ素子の他に、該センサ素子を少なくとも１つ含むセンサシステムも開示する。前記センサシステムはさらに、前記少なくとも１つの第１のセルおよび前記少なくとも１つの第２のセルをポンプカスケードとして動作させ、特に、とりわけ窒素酸化物である少なくとも１つのガス成分を濃度上昇および検出するように構成されている。こうするためには、前記センサシステムはたとえば制御部を有することができ、該制御部はたとえば、上述のカスケード構成を動作させるための１つまたは複数の電子回路部品および／または１つまたは複数のデータ処理構成要素を用いて構成されている。このような構成によってたとえば、前記少なくとも１つの第１のセルにおいて、検出対象であるガス成分の濃度上昇が行われ、その後、該ガス成分はたとえば前記第２のセルにおいて検出される。オプションとして設けられる前記第３のセルはたとえば、前記第１の電極空洞内の少なくとも１つの特性を監視するために使用することができ、たとえば酸素割合（たとえばパーセンテージおよび／または分圧）を検出および／または制御および／またはフィードバック制御するために使用することができる。この少なくとも１つの第３のセルによって検出された測定量はたとえば、前記第１のセルおよび／または前記第２のセルのポンプ電流をフィードバック制御および／または制御するために使用することができる。前記第２のセルのネルンスト信号および／またはポンプ電流を出力信号として使用するか、または、該ポンプ電流および／またはネルンスト信号から出力信号を導出することができる。この出力信号はたとえば、検出対象である少なくとも１つのガス成分の割合を表すことができ、たとえば測定ガス空間内のガス中に含まれる窒素酸化物の割合を表すことができる。
さらに、上述の複数の実施形態におけるセンサ素子の使用も開示する。本発明の使用では、排ガス中の窒素酸化物の検出のために前記センサ素子を使用するか、または前記センサ素子を広帯域酸素センサとして使用するか、または両目的のために該センサ素子を使用する。ここでは、広帯域センサとは一般的に、検出対象であるガス成分の割合を正確に検出できる空気率領域および／または該ガス成分の濃度領域が比較的大きいセンサ素子を指す。可能な実施形態については、上記で引用した従来技術を参照することができる。

【0021】

本発明により、公知のセンサ素子および／またはセンサシステムの上述の欠点を少なくとも十分に回避することができ、たとえば、センサ素子基板として使用される支持部材もセラミック固体電解質から作製する必要がなくなり、たとえばイットリウム安定化二酸化ジルコニウムから作製する必要がなくなる。このようにして、従来技術では上述のように熱機械的耐性と動作特性との間で妥協しなければならなかったのを回避するか、または両特性を最大限にすることができる。さらに、前記支持部材をセラミック固体電解質から作製しなくてもよくなり、このことによって、たとえばスクリーン印刷によって作製される絶縁層によって個々の加熱領域および／または電極領域および／または給電領域を絶縁する大きな手間を解消することができる。このことにより、センサ素子の構成を簡略化することができる。それにもかかわらず、従来技術において見られる形状および精度にかかる制約を甘受しなくてもよくなる。というのも、支持部材の絶縁特性を最大限にすることにより、入力結合および漏れ電流を最大限に回避し、この入力結合や漏れ電流によって生じる信号の変化を最大限に回避できるからである。このようにしてとりわけ、とりわけ排ガスＮＯｘセンサにおいて得られる測定信号のように、電流測定による測定信号が小さい場合に生じる問題を回避することができ、高い精度と正確な測定信号とを実現することができる。

【0022】

とりわけ上述のインレイ技術により、たとえば打ち抜き技術（Einstanztechnik）によって、支持部材をたとえば支持膜の形態で作製することができ、かつ、主に該支持膜の機械的安定性および／または熱安定性（たとえば熱衝撃安定性）および／または熱水安定性の特性を最適化することができる。この支持部材には、特別に適合された固体電解質の形態の機能インレイを備えることができる。この技術によってとりわけ、センサセラミックのモノリシック構成を実現することができる。すなわち、たとえば外形および／または安定性を実現するために実質的に同一の支持部材が使用される構成を実現することができ、この支持部材は、相互にラミネートされた複数の層から構成することもできる。たとえばセルの領域等である機能領域のみに、適切な機能インレイを備えることができる。このようにして、センサセラミックのモノリシック構成を実現することができ、とりわけ、動作のために１つまたは複数の組み込まれたネルンストセルおよび／または１つまたは複数の組み込まれたポンプセルを必要とするセンサ素子を実現することができる。前記センサ素子全体をたとえば、機械的に高強度であり電気絶縁性が高いＡｌ_２Ｏ_３セラミックから作製することができる。このような構成では、前記少なくとも１つのネルンストセルおよび／または前記少なくともポンプセルを実現するために、電極領域および／または固体電解質材料から成るセルの領域において小さい制限された領域のみ、とりわけいわゆる窓のみを設けることができるようになる。本発明ではその際には、固体電解質材料として、機能最適化された固体イオン伝導体を選定することができ、たとえば、スカンジウムドープされたＺｒＯ_２を使用することにより、機械的強度の低下や材料コストの上昇を引き起こすことなく、低温イオン伝導特性を最適化することができる。別の重要な利点として、電極領域および給電線と、場合によっては少なくとも１つの加熱素子とにおいて、相互間の電気的絶縁を簡略化することができる。従来技術ではたとえば、伝導性の二酸化ジルコニウム基板上に絶縁層を印刷することにより、該絶縁層によって電極および給電線を相互に絶縁していた。このような絶縁手法は手間を要し、不具合が生じることが多い。高絶縁性の基板を支持部材として使用することにより、場合によって生じる、加熱体入力結合および／または貫通絶縁体に関する問題を回避することができ、動作精度をより高くすることができる。本発明の構成はさらに、公知のセンサ素子と比較してセンサ素子をより小型化できるという別の利点も有する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明のセンサ素子および本発明のセンサシステムの実施例を示す。

【0024】

実施例
図１に一例として、本発明のセンサシステム１１０の一実施例を示す。このセンサシステム１１０は、本発明のセンサ素子１１２と、該センサ素子１１２に接続された制御部１１４とを有する。前記制御部１１４の全部または一部を、図１に示されているように外部の制御部として設けることができ、１つまたは複数のインタフェース１１６を介して該制御部１１４と前記センサ素子１１２とを接続することができる。また、上述の構成の代わりに、または上述の構成とともに、前記制御部１１４の全部または一部をセンサ素子１１２に組み込むことができ、たとえば該センサ素子１１２のケーシング（図１には示されていない）および／または該センサ素子１１２の多層構成体に組み込むことができ、種々の構成が可能である。前記制御部１１４はたとえば、１つまたは複数の電流源および／または１つまたは複数の電圧源および／またはたとえば電流測定用および／または電圧測定用の１つまたは複数の測定装置を含むことができ、たとえば適切な給電線を介してこれらをセンサ素子１１２に接続することができる。種々の構成が可能であり、当業者は以下の説明に基づいて、これらの構成を実現することができる。

【0025】

前記センサ素子１１２は多層構成体で構成される。図１には、このセンサ素子１１２の断面を示している。一例として、測定ガス空間１１８内の窒素酸化物を検出するために構成されたセンサ素子１１２を示す。このセンサ素子１１２は第１のセル１２０を有し、図中の実施例では、該第１のセル１２０は第１の部分セル１２２と第２の部分セル１２４とを含む。またこの構成の代わりに、前記第１のセル１２０が１つのセルのみを含む構成も可能であり、また２つ以上の部分セルを含むこともできる。前記第１のセル１２０の第１の部分セル１２２および第２の部分セル１２４はそれぞれ、外部ポンプ電極１２６ないしは１２８を含み、これらの外部ポンプ電極１２６，１２８はそれぞれ、前記第１のセル１２０の第１の電極１３０として機能する。図中の実施例では、前記外部ポンプ電極１２６，１２８は測定ガス空間１１８に直接さらされており、および／または該測定ガス空間１１８に接続されている。このことにより、測定ガス空間１１８とのガス交換が可能になる。さらに、前記部分セル１２２，１２４はそれぞれ、第１の固体電解質１３２を含む。図中の実施例ではこの第１の固体電解質１３２は、前記第１の部分セル１２２に対して設けられ固体電解質材料を有する第１の固体電解質インレイ１３４（図１では文字Ａも使用して表されている）と、前記第２の部分セル１２４に対して設けられ同様に固体電解質材料を有する第２の固体電解質インレイ１３６（図１では文字Ｂも使用して表されている）とを含む。複数の第１の固体電解質インレイ１３４および／または複数の第２の固体電解質インレイ１３６および／または両部分セル１２２，１２４を構成するために設けられた１つの共用の第１の固体電解質１３２を有する構成も可能である。前記固体電解質インレイ１３４，１３６は、フレームとして機能する支持部材１４０に設けられた開口１３８に挿入されている。この詳細については後述する。さらに、前記第１のセル１２０は第２の電極１４２として、第１の部分セル１２２に対して設けられた第１の内部ポンプ電極１４４と、第２の部分セル１２４に対して設けられた第２の内部ポンプ電極１４６とを含む。前記第２の電極１４２は第１の電極空洞１４８内に配置されており、前記測定ガス空間１１８に接続された連通部１５０を介して、該第１の電極空洞１４８にガスおよび／またはガス成分が供給される。図中の実施例では前記連通部１５０は、前記測定ガス空間１１８内から前記第１の電極空洞１４８内へガスが拡散および／または流入するのを制限するかまたはその逆に該第１の電極空洞１４８から該測定ガス空間１１８へガスが拡散および／または流入するのを制限する制限部材１５２を含んでいる。前記制限部材１５２はたとえば、多孔質材料である拡散バリア１５４とすることができる。たとえば排ガスおよび／または別のガスが前記測定ガス空間１１８内から前記制限部材１５２を通って、前記第１の電極空洞１４８内へ流入および／または拡散することができる。

【0026】

さらに、図中の実施例では前記センサ素子１１２は少なくとも１つの第２のセル１５６を含む。図中の実施例ではこの第２のセルは、第１のセル１２０が設けられたのと同一の層平面に配置されているが、この第２のセルは基本的に、別の層平面に設けることもできる。図中の実施例では、前記第２のセル１５６は第３の電極１５８を含んでおり、該第３の電極１５８はＮＯ外部ポンプ電極１６０として形成され、および／または動作することができ、図中の実施例では一例として、該第３の電極１５８も測定ガス空間１１８に結合されている。さらに、前記第２のセル１５６は第４の電極１６２も有し、該第４の電極１６２はたとえばＮＯ内部ポンプ電極１６４として形成され、および／または動作することができ、該第４の電極１６２は第２の電極空洞１６６内に配置されている。前記第１の電極空洞１４８と前記第２の電極空洞１６６とは制限部材１６８を介して連通されている。たとえば、この制限部材１６８も拡散バリア１５４とすることができる。その際には、図中の実施例では両電極空洞１４８，１６６が、前記制限部材１６８を介して相互に分離された部分空間となって、１つの比較的大きな空洞を成すが、ガスおよび／またはガス成分が前記第１の電極空洞１４８内から前記第２の電極空洞１６６内へ流入および／または拡散することができ、また逆に、該第２の電極空洞１６６内から該第１の電極空洞１４８内へガスおよび／またはガス成分が流入および／または拡散できるようにしなければならない。とりわけ、図１中において符号ＮＯによって表された窒素酸化物が第１の電極空洞１４８内から第２の電極空洞１６６内に拡散および／または流入するか、または逆に、窒素酸化物が第２の電極空洞１６６内から該第１の電極空洞１４８内に拡散および／または流入でき、かつ、この拡散および／または流入が前記制限部材１６８によって減速されるかまたは少なくとも制限されるようにすることができる。

【0027】

前記第２のセル１５６もまた複数の部分セルを含むことができ、さらに該第２のセル１５６は、前記第３の電極１５８と前記第４の電極１６２とを接続する第２の固体電解質１７０を有し、この実施例では該第２の固体電解質１７０もまた、フレームとして機能する前記支持部材１４０に設けられた開口１３８に配置され固体電解質材料を含む固体電解質インレイ１７２として形成することができる。図１では、前記固体電解質インレイ１７２は文字Ｃも使用して表されている。さらに図中の実施例では、前記センサ素子１１２は監視セル１７４も有する。この監視セル１７４は、前記多層構成体のうち低い位置の層平面に配置することができ、たとえば前記電極空洞１４８，１６６より下方に配置することができる。前記監視セル１７４もまた複数の部分セルを含むことができ、またネルンストセルとして動作することができ、該監視セル１７４は、前記第１の電極空洞１４８内に配置された第５の電極１７６と、基準空気流路１７８に配置された第６の電極１８０とを有し、さらに該監視セル１７４は、該第５の電極１７６と該第６の電極１８０とを接続する第３の固体電解質１８２も有する。図中の実施例では一例として、この第３の固体電解質１８２もまた、前記支持部材１４０の開口１３８内に配置され固体電解質材料を含む固体電解質インレイ１８４として設けることができる。しかし基本的には、前記監視セル１７４を従来のように作製することもできる。図中の実施例では、前記第３の固体電解質１８２は文字Ｄを用いて表されている。前記制御部１１４は、前記第１のセル１２０および前記第２のセル１５６をポンプセルとして動作させるように構成することができる。その際にはたとえば、両ポンプセルのポンプ電流を検出することができる。前記監視セル１７４はたとえばネルンストセルとして動作させることができる。その際には、たとえば第１の電極空洞１４８と基準空気流路１７８との間の酸素成分の分圧差に起因して前記監視セル１７４に生じるネルンスト電圧を検出することができる。たとえば、前記基準空気流路１７８の全部または一部に何も充填せずに構成することができるが、基本的には、該基準空気流路１７８の全部または一部に、ガス透過性の多孔質材料を充填することができ、たとえば多孔質の酸化アルミニウムを充填することができる。また基本的には、前記第１の電極空洞１４８および／または前記第２の電極空洞１６６の全部または一部にも何も充填せずに構成することができるが、該第１の電極空洞１４８および／または第２の電極空洞１６６の全部または一部にガス透過性の多孔質材料を充填することもできる。

【0028】

図１に示された実施例のセンサ素子１１２は、多層構成で作製されている。その際には、前記支持部材１４０はたとえば２つまたは３つ以上の支持膜１８６を含む。これらの支持膜１８６は有利には絶縁材料から作製され、たとえばセラミック絶縁材料から作製される。この絶縁材料はとりわけ酸化アルミニウム膜とすることができ、たとえばＡｌ_２Ｏ_３膜とすることができる。この実施形態に関しては、図１において、上述のような絶縁材料から作製された３つの支持膜１８６が使用された実施例が示されている。これら３つの支持膜１８６はたとえば、まず最初に相互にラミネートされ、その後、これらの支持膜１８６に１つまたは複数の焼結工程を実施することができる。その際にはたとえば、ラミネート前に前記支持膜１８６に前記開口１３８を、打ち抜き、型押し、切り込みまたは別の手法によって形成することができ、該開口１３８が前記支持部材１４０の窓、とりわけ該支持膜１８６の窓を形成するようにする。図１に示された多層構成体では、第１の支持膜１８８が前記第１のセル１２０および前記第２のセル１５６を支持するための支持部材１４０となり、第２の支持膜１９０が両電極空洞１４８，１６６と前記監視セル１７４とに対する支持部材１４０となり、第３の支持膜１９２が前記基準空気流路１７８に対する支持部材１４０となる。たとえば、第３の支持膜１９２の下方に配置される加熱素子を支持するために別の支持膜１８６を設けることもできる。この加熱素子は、図１中に示されていない。

【0029】

前記支持部材１４０は有利には支持材料を含み、該支持材料の機械的特性および／または熱機械的特性および／またはイオン伝導および／または電気伝導の絶縁特性ないしは絶縁は最適化することができる。とりわけ、前記支持材料を上述のようにＡｌ_２Ｏ_３とすることができる。このことに相応して、前記複数の支持膜１８６はたとえば、材料組成が同じであるＡｌ_２Ｏ_３セラミック膜を含むことができる。有利には、これらのＡｌ_２Ｏ_３セラミック膜の層厚は等しい。その際には第１の支持膜１８８は、固体電解質１３２，１７０を設けるための窓として、有利には打ち抜きによって形成された開口１３８を含むことができる。第２の支持膜１９０はたとえば、第３の固体電解質１８２として固体イオン伝導体を設けるために有利には打ち抜きによって形成された窓として前記開口１３８を有することができる。前記固体電解質材料はたとえば、スカンジウム安定化および／またはイットリウム安定化および／またはセリウム安定化および／またはカルシウム安定化された二酸化ジルコニウムを、たとえばインレイ１３４，１３６，１７２および１８４の形態で含むことができ、たとえば、このような二酸化ジルコニウムのイオン伝導特性を最適化することができる。図１には示されていないが、電極給電線と、オプションとして（たとえば第５の電極１７６および／または第６の電極１８０のコンタクトを行うために）設けられる１つまたは複数のスルーコンタクトとを設けることができる。有利には、これらも支持部材１４０内に配置される。また、オプションとして１つまたは複数の加熱素子も設けることができるが、この加熱素子も図１には示されていない。この加熱素子はたとえば、スクリーン印刷によって組み込まれた１つまたは複数の白金ヒータである。

【0030】

以下、前記センサシステム１１０の動作を簡単に説明する。オプションとして実施される他の構成については、基本的に、従来技術から公知である排ガスＮＯｘセンサを参照することができる。制限部材１５２を透過して、たとえば排ガス等であるガスが前記第１の電極空洞１４８内に拡散する。このガスはたとえば、図１に示されているように、酸素（Ｏ_２）および窒素酸化物（図１では一般化して、可能な酸化数を特定することなくＮＯを用いて表されており、また、ＮＯｘという表示を用いることもできる）を含む。図１では、網掛けされた円によって酸素原子を示しており、窒素分子は、網掛けされていない円によって示されている。第１の電極空洞１４８内において、第１のセル１２０によって窒素酸化物成分の濃度上昇が順次行われる。その際には、まず第１の部分セル１２２によって酸素が第１の電極空洞１４８内からポンピングで排出され、窒素酸化物が残る。前記第２の電極１４２において前記窒素酸化物が分解するのを阻止するため、たとえば所期のように毒を添加することにより、該第２の電極１４２の触媒特性を阻止または少なくとも低下させることができる。前記部分セル１２２，１２４は１つまたは２つまたは２つ以上設けることができ、この部分セル１２２，１２４が、部分セルごとに連続して混合気中の酸素割合が順次低減していくポンプカスケード構成体を構成することができる。たとえば、第１の電極空洞１４８内において第２の部分セル１２４の下方ではすでに、混合気中の酸素割合が、第１の部分セル１２２の下方の酸素割合より低くなっている。このようにして、濃度上昇を行うことができる。第２の部分セル１２４と、別の部分セルが設けられている場合には該別の部分セルとによって、第１の電極空洞１４８内からさらに酸素をポンピングで排出することにより、さらに濃度上昇を行うことができる。前記第１の電極空洞１４８内の酸素割合および／または該第１の電極空洞１４８内の１つまたは複数の場所における酸素割合を、たとえば前記少なくとも１つの監視セル１７４によって監視および／または制御および／またはフィードバック制御することができる。この監視セル１７４は複数設けることができ、複数の場所に設けることができる。

【0031】

窒素酸化物の割合が上昇した後、ガスおよび／またはガス成分は、前記第１の電極空洞１４８内から制限部材１６８を透過して前記第２の電極空洞１６６内に達することができる。第１のセル１２０が十分に機能している場合には、前記第２の電極空洞１６６内に達したガスは実際には、もっぱら窒素酸化物だけとなる。この窒素酸化物は第４の電極１６２において、図１において示されているように分解され、有利には触媒分解される。その際には窒素が分離されて第２の電極空洞１６６内に残るか、または該第２の電極空洞１６６内から、たとえば図１に示されていない開口を通って逃がすことができる。それに対し、前記分解で生成された酸素は第４の電極１６２において第２の固体電解質１７８内に取り込まれ、第３の電極１５８までポンピング輸送することができる。窒素酸化物がこのように窒素と酸素とに分解されることにより生成され前記第２のセル１５６に流れるポンプ電流、および／または、窒素酸化物がより小さい酸化数の窒素酸化物と酸素とに分解されることにより生成され該第２のセル１５６に流れるポンプ電流は、還元電流として、前記センサシステム１１０および／またはセンサ素子１１２の本来検出すべき測定信号を成す。前記ポンプ電流はたとえば、制御部１１４によって検出することができる。この還元電流はたとえば、前記測定ガス空間１１８のガス中に含まれる窒素酸化物の割合を表す尺度である。

【0032】

図１に示された実施例は、少なくとも１つの第１のセル１２０と少なくとも１つの第２のセル１５６とを含むセラミックセンサ素子１１２を備えた、電気化学的な排ガスセンサの可能な一実施例に過ぎず、たとえば前記セルは、ネルンストセルおよび／またはポンプセルとすることができる。１つの共用の支持部材１４０を用いることにより、前記センサ素子１１２をとりわけモノリシック構成とすることができ、とりわけ該センサ素子１１２を全体的に、耐性および電気絶縁性が最適化されたセラミック酸化物から作製することができる。最適なイオン伝導特性を有することができる固体電解質インレイを用いて実施される上述のインレイ技術により、センサ素子１１２の個々の構成要素の機能を別個に最適化することができる。上述のように、有利には、被印刷材として処理できる少なくとも３つの個々の膜を前記支持膜１８６として、これらの支持膜１８６から前記センサ素子１１２を作製することができる。これらの支持膜１８６はとりわけ、同じ組成を有することができる。たとえば、前記支持膜１８６を相互にラミネートしてまとめ、その後、該支持膜１８６に１つまたは複数の焼結工程を施すことができる。前記支持膜１８６はたとえば、５％未満の割合の異種相を含む酸化アルミニウムおよび／または最大５０％の割合のガラス相を含む酸化アルミニウムから成る膜を含むことができる。前記開口１３８はとりわけ打ち抜きによって形成することができる。前記開口１３８は前記多層構成体の作製時に、前記固体電解質インレイ１３４，１３６，１７２および１８４の挿入前に設けることができる。前記固体電解質インレイの厚さはたとえば、焼結前では２５０〜７５０μｍとすることができ、焼結後では５０〜２５０μｍとすることができる。図１に示された電気化学的なセンサ素子１１２はたとえば、上述のように排ガスＮＯｘセンサとして使用することができる。本発明の最適化に関する上述の利点は、有利には１つまたは２つ以上のポンプセルが設けられオプションとして１つまたは２つ以上のネルンストセルが設けられるマルチセル構成において良く観察することができる。というのも、このように多数のセルを設けることにより、通常は多数の電極給電線が必要になるからである。多数の電極給電線と、場合によってはさらに少なくとも１つの加熱素子とが設けられる場合、従来技術の構成では、上述の電子的な問題、とりわけクロストークおよび／または入力結合が特に顕著に見られる。本発明の構成では、支持部材１４０のとりわけ絶縁特性および／または強度特性を最大限にすることができるので、このような本発明の構成では、多数の電極給電線および／または複数のスルーコンタクトが設けられていても、クロストークないしは電気的な入力結合を確実に保証することができる。

【図1】