用于感测至少一个特性的传感器元件、传感器装置和方法与流程

本发明涉及用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的一种传感器元件、一种传感器装置以及一种方法。

背景技术：

目前尤其在机动车中可以使用用于感测废气中NO_X含量的陶瓷氮氧化物传感器、例如基于氧化锆的传感器，以便监视和/或调节废气后处理系统。在此，传感器元件可以借助于厚膜技术来制造，其中，尺寸例如可以约为4mmx50mmx3mm。由于这样的尺寸、也就是说由于热质量，可以使得达到一必要的例如约700℃的运行温度，加热功率一般是在一位数至双位数瓦特范围内。

例如由《机动车技术袖珍手册》(Kraftfahrtechnisches Taschenbuch)，Springer，VIEWEG，Wiesbaden，2014，第1338-1347页已知这种氮氧化物传感器、例如成λ探测器的形式。

在这种氮氧化物传感器中，二氧化氮(NO₂)可以分解成一氧化氮(NO)，并且二氧化氮(NO₂)在氮氧化物传感器的感测腔中的含量降低。这尤其可以导致低泵电流，并因此也导致低传感器信号。

技术实现要素：

在本发明的范围内，提出一种用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的传感器元件、一种用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的传感器装置以及一种用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的方法，所述传感器元件、传感器装置以及方法能够至少部分地绕开或者解决上面提到的挑战。它们在独立权利要求中示出。本发明的优选的扩展方案在从属权利要求中示出，所述扩展方案能够单个地实现，或者也能够组合地实现。

用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的传感器元件包括至少一个调节和感测腔，所述至少一个调节和感测腔具有至少一个调节区域和至少一个感测区域。此外，传感器元件具有至少一个测量单元、至少一个第一泵单元(Pumpzelle)和至少一个第二泵单元。调节区域能够以来自测量气体室的气体来加载。测量单元具有至少一个布置在调节区域中的测量电极和至少一个布置在基准气体室中的基准电极，并且设置为用于感测调节区域中的至少一个气体成分。第一泵单元设置为用于完全或者部分地从调节区域中移除第一气体成分，或者将第一气体成分输送给调节区域。第二泵单元具有至少一个布置在感测区域中的泵电极，并且设置为用于从感测区域中移除至少一个第二气体成分。在调节区域与第一泵单元之间布置有至少一个膜片，所述至少一个膜片设置为用于将第一气体成分以无电压的方式、即在不供应电压的情况下运输到第一泵单元。

感测气体成分可以例如理解为确定或者说感测所述气体成分在气体混合物中的(相对)含量或者说它的分压。在此，感测量可以例如是泵电流或者电压。

在此，第一气体成分可以是氧气(O₂)。在此，第二气体成分一般可以是氮氧化物(NO_X)，所述氮氧化物根据温度以不同的含量例如由一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、一氧化二氮(N₂O)等等组分。通常在此，一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的含量占主导。在一简化模型中(该模型被作为进一步考察的基础)，在氮氧化物(NO_X)中一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的含量相加之和为100％。原则上，在氮氧化物(NO_X)中二氧化氮(NO₂)的含量随着温度上升而下降。因此，每个分子具有两个氧原子的二氧化氮(NO₂)的含量越高，基于氮氧化物(NO_X)分解成氮气(N₂)和氧气(O₂)或者说基于这些气体的离子以及用于泵出游离的氧气或者说氧离子的泵电流的感测信号越大。

在本发明的意义上，术语“测量气体室”尤其表示机动车中的气体室、例如内燃机中的排气管(Abgastrakt)。“基准气体室”尤其可以具有至少一个带有至少一个已知组分例如空气、尤其是周围环境空气的气体。

在本发明的意义上，“气体”原则上理解为任意在气态状态下的物质，所述物质对于任意缓慢的剪切不产生阻力。物质的气态状态一般可以与温度和/或压力有关。该气体可以作为纯净物或者作为包括多个气体成分的混合物存在。例如，气体可以涉及废气，并且此外例如，气体也可以包含氧气(O₂)、氮氧化物(一般性地：NO_X，也就是说例如不同浓度的NO、NO₂等等)、氨气(NH₃)、氮气(N₂)和其它气体。然而原则上也可以使用其它气体或者气体混合物。

至少一个泵单元和至少一个测量单元或者说测量泵单元可以构成成膜片层的类型，并且例如具有在0.5μm至50μm范围内的厚度。膜片层在垂直于它的厚度的平面中构成为扁平结构，其中，膜片沿着所述平面的延伸尺寸通常显著地大于厚度，例如大出10至10000范围内的倍数。附加地，泵单元和/或测量单元在膜片层的每一侧上沿着层厚方向观察包括一优选多孔的电极。

由所述泵单元和/或测量单元或者说测量泵单元包括的膜片层或者说陶瓷膜片层或者说固体电解膜片层根据本发明为化学意义上的膜片，并由此例如为允许和/或阻止特定化合物扩散的陶瓷材料。由泵单元和/或测量单元或者说测量泵单元包括的膜片是“气密”的。这意味着，没有气体能够扩散穿过膜片层(除非是例如通过小孔构成专门的扩散通道)。然而离子能够扩散穿过膜片层，例如氢离子或者氧离子。在此，优选为氧离子。此外，膜片层例如在空间上分隔两个气体室(例如使废气与基准空气分开，或者例如使测量气体室与调节和感测腔分开，或者例如使调节区域与基准气体室分开，或者例如是感测室与(第三)空缺部分开等等)。

在此，在本发明的意义上，化合物理解为特定的化合物、化学元素、一组化合物和上面提到的化合物的衍生物。仅示例地，这种化学元素或者化合物可以涉及氧离子(O^2-)、质子(H⁺)或者氢氧根离子(OH^-)。

由此，在各个腔中或者说各个室中或者说区域中原则上占主导地存在电中性的气体或者说气体成分、例如氧气(O₂或者O2)、氮气(N₂或者N2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂或者NO2)等等。此时，在所述单元上或者说膜片层上或者说在电极上，至少一个气体成分、例如氧气(O₂)可以分解成离子(例如氧离子：O^2-离子)。此时，泵送氧气而穿过膜片层或者说单元应理解为以离子的方式运输气体离子(例如氧离子)而穿过膜片层(例如固体电解质膜片层)和/或电极。在布置于离子运输下游的电极上，气体离子此时可以又变回成电中性气体：例如，根据化学方程式2O^2--4e^-→O₂。因此，在下文中在电中性气体与它们的离子之间不总是严格地区分开。而是从上下文中得出是涉及电中性气体(例如O₂)还是涉及相应气体离子、例如O^2-的含义，取决于涉及腔、室还是涉及单元的内部、即例如穿过固体电解质膜片层或者说固态电解质膜片层的运输。在此，对于电中性气体(例如，NO、NO₂、O₂、N₂等等)而言可渗透的贯穿部相应地理解为如室或者说腔。

气体的特性尤其可以是气体中氧化物的含量、尤其是NO_X的含量。传感器元件可以设置为用于定性地并替代地或者附加地也定量地感测气体的特性。第一气体成分尤其可以是氧气(O₂)。第二气体成分尤其可以包括至少一个氧化物、尤其是具有确定比例的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的NO_X。

标记“第一”和“第二”气体成分应视作为单纯的标记，而不规定顺序或者优先次序并且例如不排除以下可能性，即，可以设置多个种类的第一气体成分和多个种类的第二气体成分或者分别设置刚好一个种类的气体成分。此外，可以存在有附加的气体成分、例如一个或者多个第三气体成分。

在本发明的意义上，“传感器元件”原则上可以理解为这样的电器具，所述电器具处理传感器信号并且根据所处理的传感器信号发出控制和/或数据信号。传感器元件可以具有一接口，所述接口可以以硬件和/或软件的方式构成。当以硬件的方式构成时，所述接口可以例如是专用集成电路(ASIC)的一部分，所述专用集成电路包括传感器元件的不同功能。然而也可能的是，接口自身是集成电路，或者至少部分地具有分立的结构元件。当以软件的方式构成时，所述接口可以是软件模块，所述软件模块例如出了其它软件模块之外存在于微控制器上。

传感器元件尤其是微机械传感器元件。在本发明的范围内，术语“微机械”一般性地理解为三维结构的特性，所述三维结构具有在微米范围内、也就是说在小于1mm的范围内的尺寸。这尤其涉及功能元件、例如至少一个泵单元或者说至少一个测量泵单元的厚度。在此，厚度尤其理解为层厚方向、也就是说以下方向，即，离子沿该方向从一腔穿过单元运输到下一腔或者说从一室穿过单元运输到下一室。微机械传感器元件的生产例如主要或者完全通过半导体工艺实现、也就是说主要是通过使用用于结构化和改变表面的光刻方法来实现。与此相对，在厚膜技术(Dickschichttechnologie)中，主要是通过丝网印刷方法来实现结构化。与传统的厚膜传感器相比，微机械传感器元件具有较小的尺寸和较小的公差。

传感器元件可以具有至少一个载体衬底。在本发明的意义上，“载体衬底”原则上可以理解为这样的元件，所述元件设置为用于承载一个或者多个其它元件并且所述元件具有与此相应的机械稳定性。载体衬底尤其可以涉及以微机械方式结构化的半导体衬底。载体衬底可以例如是盘形或者板形半导体衬底。载体衬底尤其可以包括借助于晶片键合相互间连接的多个半导体衬底。载体衬底尤其可以构成为芯片。尤其，载体衬底可以包括硅。原则上也可以考虑其它半导体材料或者绝缘材料如碳化硅、GaN、蓝宝石和玻璃。

载体衬底可以包括一个或者多个空缺部。在本发明的范围内，术语“空缺部”涉及空着的和/或敞开地构型的空心空间。优选地，空缺部可以涉及从载体衬底表面伸入到载体衬底中的空心空间。空缺部原则上可以具有任意的基本形状。例如，空缺部可以方形地构型。原则上也可以考虑其它实施方式。例如，空缺部可以具有多边形(三角形、四边形、五角形、六角形等等)、椭圆形或者圆形横截面。

尤其，基准气体室或者说到基准气体室的入口可以完全或者部分地通过载体衬底中的第一空缺部构成。此外，载体衬底可以具有至少一个第二空缺部。第二泵单元可以设置为用于将第二气体成分从感测区域中泵送到第二空缺部中或者说泵送经过第二空缺部。

标记“第一”和“第二”空缺部应视作为单纯的阐述，而不规定顺序或者优先次序并且例如不排除以下可能性，即，可以设置多个种类的第一空缺部和/或多个种类的第二空缺部或者分别设置刚好一个种类的空缺部。此外，可以存在有附加的空缺部、例如一个或者多个第三空缺部。第二空缺部可以与第一空缺部不同，或者也可以与第一空缺部完全或者部分地相同。

第一泵单元和/或第二泵单元和/或测量单元可以通过至少一个绝缘材料相对于载体衬底电绝缘。在本发明的范围内，术语“绝缘材料”原则上表示任意这样的材料，所述材料设置为用于使由绝缘材料至少部分地分界开的区域与其余载体衬底电绝缘。

为此，绝缘材料优选可以具有比周围的材料更低的导电能力，例如至少小于十分之一、优选至少小于千分之一。绝缘材料可以具有至少一个这样的材料，所述材料选自包括以下材料的组：硅化合物、尤其是氮化硅或者二氧化硅；铝化合物、尤其是氧化铝或者氮化铝；电绝缘合成材料。

在本发明的意义上，术语“调节和感测腔”原则上表示任意构型的这样的空心空间，所述空心空间完全或者至少部分地布置在传感器元件内部。调节和感测腔例如可以具有方形的基本形状。然而原则上也可以考虑其它构型。调节和感测腔可以包括至少一个调节区域和至少一个感测区域。调节区域能够以来自测量气体室的气体来加载。因此调节区域可以与测量气体室例如以引导气体的方式连接、例如通过具有限定的孔隙率的透气材料或者通过至少一个开口连接，其中，该至少一个开口可以具有非常小的直径。尤其，调节区域可以设置为用于调节测量介质的气体组分。测量介质可以例如涉及机动车的废气或者说废气混合物、周围环境空气或者类似气体。感测区域尤其可以设置为用于感测气体的至少一个特性。在本发明的意义上，术语“调节区域”和“感测区域”原则上表示调节和感测腔的部分或者说部分空间或者说区域或者说区段。调节区域和感测区域尤其可以并排地布置或者说彼此相邻。调节区域和感测区域可以部分地交叠。此外，调节区域和感测区域可以通过至少一个构件相互分开、尤其通过至少一个扩散屏障(Diffusionbarriere)相互分开。然而也可以考虑其它构型。

在本发明的意义上，术语“单元”原则上表示任意具有至少两个电极和至少一个连接所述电极的固态电解质的电化学元件。在此，固体电解质可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向观察布置在电极之间。单元尤其可以完全或者部分地构型为泵单元或者作为泵单元来使用，所述泵单元能够与电能量源连接并且能够通过电流和/或电压来加载。替代地，单元可以完全或者部分地构型为能斯特单元(Nernstzelle)或者作为能斯特单元来使用。

第一泵单元和/或第二泵单元可以分别具有至少两个泵电极。尤其，第一泵单元和/或第二泵单元可以分别具有至少一个层结构，所述至少一个层结构具有至少两个泵电极和至少一个连接所述泵电极的固体电解质。在此，固态电解质膜片式地构成，并且沿着层厚方向观察布置在所述电极之间。在第二泵单元中，泵电极中的至少一个泵电极可以分配给感测区域并且相对于第二气体成分是催化活性的，并且设置为用于分解第二气体成分。在此，分解可以例如通过在电极之间施加一电压来引起。在此，可以优选如此选择电压，使得所述电压大于(可能通过电极的催化作用而降低的)电化学势，所述电化学势对于分解处于电极上的气体成分而言是必要的。例如，因此NO可以分解成氮气和氧气或者说它们的离子。测量单元的测量电极和基准电极可以通过至少一个固体电解质连接。在此，固体电解质可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向观察布置在所述电极之间。

在本发明的范围内，“层结构”原则上理解为至少两个层的序列，所述至少两个层直接或者在中间插入一个或者多个中间层的情况下彼此叠置地铺设。层结构可以具有同一材料的多个层。此外，层结构可以具有不同材料的层。原则上也可以考虑其它实施方式。

在本发明的范围内，“固体电解质”理解为具有电解特性、即具有离子传导特性的固体。尤其，固体电解质可以涉及陶瓷固体电解质。尤其，固体电解质可以包括二氧化锆(ZrO₂)，优选经钇稳定的二氧化锆(YSZ)。原则上也可以考虑其它材料。此外，膜片可以包括至少一个这样的材料，所述材料选自包括以下材料的组：铁氧体、优选镧锶钴铁氧体(La_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-x))、特别优选钡锶钴铁氧体(Ba_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_(3-x))。

在本发明的范围内，“电极”一般性地理解为用于元件与固体电解质之间交换离子的元件。尤其，可以借助于电极将离子、例如氧离子(O^2-)引入在固体电解质中，这也被称离子的“嵌入”(Einbau)，和/或，将离子从固体电解质中取出并且例如转变成气体、例如氧气气体(2O^2--4e^-→O₂)，其中，该过程也可以称为离子的“卸除”(Ausbau)。由此，电极尤其可以涉及用于与固体电解质进行电接触和/或离子接触的电触点。

尤其，可以涉及多孔的、导电的电极材料。在本发明的范围内，“多孔的”、导电的电极材料一般性地理解为如此具有小孔的材料，使得气体穿过多孔的、导电的电极材料是可能的。因此可以例如实现气体穿过多孔的、导电的电极材料，其中，气体在电极与固体电解质之间的界面上转变成离子，其中，离子可以嵌入到固体电解质的晶格中。

调节区域和测量气体室可以通过至少一个第一扩散屏障连接。

调节区域和感测区域可以通过至少一个第二扩散屏障连接。

在本发明的意义上，术语“扩散屏障”原则上表示任意这样的元件，所述元件设置为用于运输气体的一个或者多个气体成分或者说所述元件对于至少一个气体成分而言是可渗透的。扩散屏障尤其可以包括至少一个多孔材料。扩散屏障可以由至少一个材料制造或者说包括至少一个这样的材料，所述材料选自包括以下材料的组：陶瓷材料，尤其是氧化铝、尤其是二氧化锆；半导体，尤其是硅。然而原则上也可以考虑其它材料。陶瓷材料尤其可以具有这样的平均小孔大小，所述平均小孔大小在10nm与500μm之间、尤其在50nm与100μm之间、特别优选地在100nm与10μm之间。半导体材料尤其可以具有这样的平均小孔大小，所述平均小孔大小在100nm和5000μm之间、尤其在500nm和1000μm之间、特别优选地在1μm和500μm之间。

在本发明的范围内，“膜片”一般性地理解为任意具有长形形状和厚度的元件，其中，所述元件在横向量度上的延展尺寸超过元件的厚度、例如超过10至1000的倍数、优选超过200至500的倍数。尤其，膜片可以是氧膜片，所述氧膜片设置为用于以离子的方式运输氧气。为此，膜片尤其可以包括至少一个固体电解质或者一个陶瓷混合导体并且具有离子传导特性。

膜片可以包括至少一个层结构。例如，层结构可以包括至少两个多孔电极以及至少一个连接所述多孔电极的、传导离子的固体电解质。在此，固体电解质可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向观察布置在所述电极之间。

此外，膜片可以是导电的。尤其，膜片可以包括至少一个导电材料。多孔电极可以具有至少一个这样的材料，所述材料选自包括以下材料的组：铂；铂合金，尤其是铂金、尤其是铂铑。原则上也可以考虑其它材料。例如，多孔电极可以是电短路的、尤其借助于至少一个敷镀通孔电短路。敷镀通孔尤其可以由导电材料制造、例如由铂制造。此外，敷镀通孔可以具有100nm至10μm的直径、优选500nm至50μm的直径以及特别优选1μm至100μm的直径。膜片尤其可以相对于第一气体成分是催化活性的。此外，膜片可以相对于第二气体成分是非催化活性的。在此，催化活性可以理解为与膜片进行相互作用的气体成分的电化学势的改变。

膜片设置为用于将第一气体成分以无电压的方式运输到第一泵单元。在本发明的范围内，术语“无电压”原则上表示，为了将第一气体成分运输到第一泵单元，不必将电压施加到膜片上。

更确切地说，足够的是，第一气体成分(例如氧气)从膜片的一侧到膜片的另一侧有浓度下降。此时，第一气体成分仅由于浓度梯度而向氧气浓度较低的一侧扩散。

在一实施方式中，膜片可以包括层结构，其中，所述层结构包括两个电极。所述两个电极中的至少一个电极可以是多孔的。由此可以有利地改进氧气的运输。

在一实施方式中，膜片可以布置在所述两个电极之间，其中，所述两个电极是电短路的。电短路可以例如借助于由导电材料、例如包括金属制造的敷镀通孔穿过膜片来构成。由此，膜片以及膜片的两个电极有利地被置于同一电势上。由此引起，气体成分在膜片上的分解由于电势而强烈地被抑制或者被阻止。由此，膜片实际上可以用作为屏障，所述屏障阻止氮氧化物、尤其是二氧化氮(NO₂)在氧膜片或者说膜片上分解。膜片同时对泵单元屏蔽这些气体成分(氧气除外)。由此，在调节区域有利地提高二氧化氮(NO₂)的含量。

膜片和第一泵单元可以如此以相互成一间距的方式布置，使得在膜片与第一泵单元之间构成有至少一个中间腔。替代地，膜片和第一泵单元可以如此以成一堆叠布置结构的方式布置，使得不构成中间空间。换言之，所述层以彼此直接交叠的方式布置。

此外，传感器元件可以包括至少一个加热元件。所述加热元件尤其可以设置为用于加热至少一个固体电解质，并且替代地或者附加地加热至少两个泵电极。加热元件尤其可以实施为微系统技术的膜片式加热器。

此外，提出一种用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的传感器装置。所述传感器装置包括至少一个根据上述或者在下面更详细地示出的实施例中任一例所述的传感器元件。此外，传感器装置包括至少一个电能量源、至少一个第一电测量装置和至少一个第二电测量装置。电能量源与第一泵单元连接和/或与第二泵单元连接，并且设置为用于以泵电流和/或泵电压来加载第一泵单元和/或第二泵单元。电测量装置与测量单元连接，并且设置为用于感测测量单元上的电压。第二电测量装置设置为用于感测经过第二泵单元的泵电流。

在本申请中，能源可以例如理解为电流源或者电压源，通过所述电流源或者电压源可以给至少一个泵单元或者至少测量泵单元供以电能(电流和/或电压)。

在另一实施方式中，传感器装置可以包括至少一个第一电能量源和至少一个第二电能量源。第一电能量源可以与第一泵单元连接，并且设置为用于以泵电流和/或泵电压来加载第一泵单元。第二电能量源可以与第二泵单元连接，并且设置为用于以泵电流和/或泵电压来加载第二泵单元。

标记“第一”和“第二”电能量源应视作为单纯的阐述，而不规定顺序或者优先次序并且例如不排除以下可能性，即，可以设置多个种类的第一电能量源和/或多个种类的第二电能量源或者分别设置刚好一个种类的电能量源。此外，可以存在有附加的电能量源、例如一个或者多个第三电能量源。

此外，传感器装置可以包括至少一个调节装置，所述至少一个调节装置与第一电测量装置和第一电能量源连接，并且设置为用于借助于第一泵单元将调节区域中第一气体成分的含量调节到一额定值上。

此外，在本发明的范围内，提出一种用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的方法。所述方法包括使用根据已经阐述或者在下面还要阐述的实施例中任一例所述的传感器元件。

根据本发明的方法可以包括在下面阐述的方法步骤。所述方法步骤可以优选以该预先给定的顺序执行。此处，一个或者甚至多个方法步骤可以同时执行或者以在时间上交叠的方式执行。此外，所述方法步骤中的一个、多个或者所有方法步骤可以一次地执行或者也反复地执行。此外，所述方法还可以包括其它方法步骤。

用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的方法包括以下步骤：

a)提供传感器元件；

b)以来自测量气体室的气体来加载调节区域；

c)借助于测量单元和第一泵单元调节所述调节区域中的额定气体组分；以及

d)感测第二泵单元上的泵电流。

在步骤c)中，额定气体组分尤其可以是λ＝1的空气系数(Luftzahl)。在本发明的意义上，术语“空气系数”原则上表示一无量纲的特性系数，所述特性系数说明对于燃烧而言可供支配的空气质量与对于燃烧而言至少必要的空气质量的质量比。

也可以设置其它步骤，例如，

e)将缺乏(entreichert)O₂的气体从调节区域扩散进入到感测区域中；

f)将第二气体成分(例如NO_X、NO₂、NO)分裂成分解产物(例如，氧气、氮气)；

g)将分解产物从感测区域泵送到第三空缺部中或者说泵送到基准气体室中。

所提出的传感器元件、所提出的传感器装置以及所提出的方法相对于已知的装置和方法具有大量优点。在调节区域与第一泵单元之间布置有膜片。尤其，膜片可以设置为用于以无电压的方式将第一气体成分、尤其是氧气运输到第一泵单元。这可以是特别有利的，因为在不施加电压的情况下或者说通过膜片两侧上短路的电极，在膜片的面向调节区域的侧上的第二气体成分、尤其是NO_X基本上较少地分解或者不分解，尤其是二氧化氮(NO₂)基本上较少地或者不分解成一氧化氮(NO)。由此可以提高感测区域中二氧化氮(NO₂)的含量。由此，在感测区域中存在有更多的氧原子，所述氧原子在一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)分解之后可以或者说必须作为氧气或者说氧离子被泵出——由此有利地提高由泵电流确定的测量信号，并由此改进测量精度。如上面已经阐述的那样，构成为薄膜系统(Dünnschichtsystem)的布置结构即使在比传统的系统中(在那例如温度处于650℃至800℃)更低的温度的情况下(例如在仅350℃至450℃的情况下)也能够运行。这附加地提高氮氧化物中二氧化氮(NO₂)相对于一氧化氮(NO)的含量。因为在膜片的面向调节区域的短路电极上不可能发生二氧化氮(NO₂)的分解，所以在感测区域中可以调节相对于传统系统明显提高的二氧化氮(NO₂)含量。

接着，可以算出测量气体室中氮氧化物的含量。膜片可以设置为用于将调节区域中的气体与泵单元的泵电压屏蔽开。通过气体中较高的二氧化氮(NO₂)含量可以增加感测区域中氮氧化物(NO_X)的氧原子。在这样的实施方式中，传感器元件在所述实施方式中是微机械传感器元件，传感器元件在低温情况下已经能够运行。与传统的厚膜传感器(Dickschichtssensor)相比，例如微机械地构成的传感器元件由于固体电解质的层厚较小而能够具有相对较高的氧离子传导性。由此，当通常的微机械传感器元件在400℃温度的情况下运行时，例如可以使感测信号增大约三分之一。

总而言之，可以确定，不仅通过在较低温度的情况下运行来实现对氮氧化物中二氧化氮含量的提高，而且有利地通过位于泵单元之前的、面向调节区域的膜片来阻止该二氧化氮(NO₂)分解成一氧化氮(NO)。

气体可以从测量气体室扩散到调节区域中。在第一泵单元的向着调节区域定向的泵电极上，来自气体的氧气可以转变成氧离子。由于在调节区域与在膜片与第一泵单元之间构成的中间腔之间存在氧气分压方面的差，可以发生氧气运输进入中间腔或者从所述中间腔中离开。氧气可以从中间腔中被泵出，直至调节区域中存在着额定值λ＝1。由此尤其可以保持氧气分压降。

膜片可以是导电的，或者膜片的电极可以是电短路的。因此，可以在膜片的电极之间无电场的情况下构成膜片，即膜片处于一恒定的电势上。此外，对于氧气运输而言不需要电压。电极可以设置为用于经由催化而在一氧化氮(NO)与二氧化氮(NO₂)之间建立平衡比例。因此，相对于现有技术可以提高调节区域中的二氧化氮浓度，并随之也可以提高感测区域中的二氧化氮浓度。

膜片可以由尤其是能导电的且传导氧离子的陶瓷混合导体制造，尤其由铁氧体或者由固体电解质制造，所述固体电解质的电极例如通过穿过电解质的敷镀通孔而电短路。在膜片与第一泵单元之间可以构成有空心空间，或者膜片和第一泵单元可以作为无中间空心空间的堆叠布置结构来实现。

附图说明

由优选实施例的接下来的说明得到本发明的另外可选的细节和特征，所述优选实施例在附图中示意性示出。

附图示出：

图1氮氧化物(NO_X)中一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的含量随温度变化的示意图；

图2用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的根据本发明的传感器元件的剖面图；以及

图3用于感测测量气体室中的气体的至少一个特性的根据本发明的传感器装置的示意图。

具体实施方式

在图1中示出氮氧化物(NO_X)中一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的含量随温度变化的简化模型的图示。在此，涉及简化的图示，所述图示应该仅具有示范性特性。此处，在图中有意识地略去也包含氮氧化物(NO_X)的其它气体成分，例如N₂O、N₂O₂等等，因为这些成分在氮氧化物(NOx)中通常仅占一非常小的含量。

在x轴上描绘温度，单位℃，温度为从0℃至1000℃。在Y轴上描绘气体含量的浓度(此处即NO或者说NO₂)，以气态氮氧化物(NOx)的体积百分比表示。描绘了两条曲线。

第一曲线示出氮氧化物中一氧化氮(NO)的浓度含量(S-形曲线)。能够清楚看出，直至约200℃，一氧化氮(NO)的浓度处于几乎0％。从200℃至约700℃，浓度陡峭上升，然后从约600℃起在几乎100％的情况下饱和。

第二曲线示出二氧化氮(NO₂)的浓度。因为一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的浓度相加必须等于100％，所以该第二条曲线以与第一曲线互补的方式走向。即二氧化氮(NO₂)的浓度直至约200℃为几乎100％，而然后陡峭下降，直至约从700℃起，二氧化氮(NO₂)的含量明显下降到5％以下。

为了在传感器组件中产生高的测量信号，有利的是，在感测区域中存在有尽可能多的氧原子，例如其方式为提高二氧化氮(NO₂)相对于一氧化氮(NO)的含量。即如果例如在例如微机械地制造的薄膜系统的情况下实现在较低的温度下工作并且尽管由于小层厚还是达到足够高的、气体成分穿过膜系统的运输率，则能够明显提高二氧化氮(NO₂)的含量。

在图2中以剖面图示出用于感测测量气体室112中的气体的至少一个特性的根据本发明的传感器元件110的一实施方式。

传感器元件110包括至少一个调节和感测腔114、至少一个测量单元118、至少一个第一泵单元120、至少一个第二泵单元122和至少一个膜片124，所述至少一个调节和感测腔具有至少一个调节区域116和至少一个感测区域117。

传感器元件110尤其可以是微机械传感器元件126。传感器元件110可以具有至少一个载体衬底128。载体衬底128可以具有第一空缺部130。通过第一空缺部130可以完全或者部分地在载体衬底128中构成基准气体室132，所述基准气体室例如通过空气来填充或者说加载。此外，载体衬底128可以具有至少一个第二空缺部134以及第三空缺部136。第二空缺部134和/或第三空缺部136可以与第一空缺部130不同，或者也可以完全或者部分地相同。第一泵单元120、第二泵单元122和测量单元118可以通过至少一个绝缘材料138相对于载体衬底128是电绝缘的。

调节和感测腔114可以在载体衬底128内部构成为方形的空心空间。尤其，调节腔116和感测腔117可以分别在载体衬底128内部构成为方形的空心空间。调节区域116可以以来自测量气体室112的气体来加载。这可以例如在与测量气体室邻接的调节和感测腔的区域中通过至少一个(小的)开口和/或通过设置透气材料来实现。尤其，调节区域116可以设置为用于调节测量介质(例如废气)的气体组分。尤其，调节区域116和测量气体室112可以通过至少一个第一扩散屏障140连接。感测区域117尤其可以设置为用于感测气体的至少一个特性(例如NO_X含量或者说NO_X含量)。调节区域116和感测区域117可以通过至少一个第二扩散屏障164连接。

测量单元118设置为用于感测调节区域116中的至少一个第一气体成分。测量单元118具有至少一个布置在调节区域116中的或者说面向调节区域116的测量电极142和至少一个布置在基准气体室132中的或者说面向基准气体室132的基准电极144。测量单元118的测量电极142和基准电极144可以通过至少一个固体电解质150连接。在此，固体电解质150可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向(在图中：从下向上指向或者说示例地对于测量单元118而言：从基准气体室132指向调节区域116)观察布置在电极142，144之间。

第一泵单元120设置为用于完全或者部分地从调节区域116中移除第一气体成分，或者将第一气体成分输送给调节区域116。第一泵单元120可以具有至少一个层结构148，所述至少一个层结构具有至少两个泵电极146和至少一个连接这些泵电极146的固体电解质150。在此，固体电解质150可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向(在图中：从下向上指向或者说示例地对于第一泵单元120而言：从中间空间162指向第二空缺部134)观察布置在两个泵电极146之间。

第二泵单元122具有至少一个布置在感测区域117中的泵电极146，并且设置为用于从感测区域117中移除至少一个第二气体成分。此外，第二泵单元122可以具有至少一个层结构148，所述至少一个层结构具有至少两个泵电极146和至少一个连接这些泵电极146的固体电解质150。泵电极146中的至少一个泵电极可以分配给感测区域117，并且相对于第二气体成分可以是催化活性的，并且可以设置为用于分解第二气体成分。在此，固体电解质150可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向(在图中：从下向上指向或者说示例地对于第二泵单元122而言：从第三空缺部136指向感测区域117)观察布置在两个泵电极146之间。

在调节区域116和第一泵单元120之间布置有膜片124。膜片124设置为用于以无电压的方式将第一气体成分运输到第一泵单元120。膜片124尤其可以是氧膜片152，所述氧膜片设置为用于以离子的方式运输氧气。膜片124可以包括至少一个层结构154。层结构154可以包括至少两个多孔电极156以及至少一个连接这些多孔电极156的固体电解质158。多孔电极156可以是电短路的。尤其，多孔电极156可以借助于至少一个敷镀通孔160电贯通接触。由此，两个电极156以及固体电解质处于同一电势上。如此可以有利地避免气体成分的分裂或者说分解、例如由二氧化氮(NO₂)分裂或者说分解成一氧化氮(NO)。此外，膜片124可以相对于第二气体成分是非催化活性的，例如通过使电极包括金-铂混合物。由此，第二气体成分的电化学势不如此大地改变，使得仅由于存在着的工作温度而实现由例如二氧化氮(NO₂)分解或者说分裂成一氧化氮(NO)。膜片124和第一泵单元120尤其可以如此以相互成一间距d的方式布置，使得在膜片124与第一泵单元120之间构成有至少一个中间腔162。在此，固体电解质150可以膜片式地构成，并且沿着层厚方向(在图中：从下向上指向或者说示例地对于膜片124而言：从调节区域116指向中间空间162)观察布置在两个电极156之间。

原则上显然可能的是，将膜片124直接铺设到第一泵单元120的面向调节区域116的侧上，从而不存在有中间空间162。

图3示出用于感测测量气体室112中的气体的至少一个特性的传感器装置166的示意图。传感器装置166包括传感器元件110。传感器元件110在多数部件方面与根据图2的组件相当，从而可以在最大程度上参考上面图2的说明。

此外，传感器装置166具有至少一个电能量源168、至少一个第一电测量装置170和至少一个第二电测量装置174。尤其，传感器装置166可以包括至少一个第一电能量源169和至少一个第二电能量源172。第一电能量源169可以与第一泵单元120连接，并且设置为用于通过泵电流和/或泵电压来加载第一泵单元120。第一电测量装置170与测量单元118连接，并且设置为用于感测测量单元118上的电压。第二电能量源172可以与第二泵单元122连接，并且设置为用于通过泵电流和/或泵电压来加载第二泵单元122。第二电测量装置174设置为用于感测经过第二泵单元122的泵电流。

此外，传感器装置166可以包括至少一个调节装置186。调节装置186可以与第一电测量装置170和第一电能量源172连接，并且设置为用于借助于第一泵单元120将调节区域116中第一气体成分(例如氧气(O₂))的含量调节到额定值。