(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素分圧（又はラムダ値）の検出と、少なくとも一つの成分の検出とを組み合わせるために構成されている広帯域ラムダセンサを提供する。【解決手段】広帯域ラムダセンサの測定キャビティ１４から広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素を運ぶ、外側ポンプ電極１０及び内側ポンプ電極１２を備えている酸素ポンプセルと、ネルンスト電極２０及び基準電極２２を備えているネルンスト濃度セルと、少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する容量性センサ装置３２と、を有する広帯域ラムダセンサにおいて、容量性センサ装置３２が、測定キャビティ１４に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に測定キャビティ１４内に突出するように、前記広帯域ラムダセンサ内に配置する。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域ラムダセンサの測定キャビティ（１４）から広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素を運ぶ、外側ポンプ電極（１０）及び内側ポンプ電極（１２）を備えている酸素ポンプセルと、
ネルンスト電極（２０）及び基準電極（２２）を備えているネルンスト濃度セルと、
各容量性センサ装置（３２）のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する、少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）とを有している、広帯域ラムダセンサにおいて、
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）は、該少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）が、前記測定キャビティ（１４）に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に前記測定キャビティ（１４）内に突出するように、前記広帯域ラムダセンサ内に配置されていることを特徴とする、広帯域ラムダセンサ。
【請求項２】
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）はそれぞれ、第１のセンサ電極（３４）及び第２のセンサ電極（３６）をそれぞれ一つ有しており、且つ、前記第１のセンサ電極（３４）と前記第２のセンサ電極（３６）との間に設けられている少なくとも一つの誘電体（３８）を有している、請求項１に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項３】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、少なくとも、二酸化ケイ素、二酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコン、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、ケイ化タングステン及び／又はケイ化タンタルを含む、請求項２に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項４】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、少なくとも前記広帯域ラムダセンサの動作温度と等しい温度において、バイアス電圧に依存する誘電率及びインピーダンスを有している少なくとも一つの材料を含む、請求項２又は３に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項５】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、前記少なくとも一つの材料として、少なくとも、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩及び／又はチタン酸バリウムストロンチウムを含む、請求項４に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項６】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）と対向している前記第１のセンサ電極（３４）は、少なくとも一つの触媒活性材料を含む、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項７】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）と対向している前記第１のセンサ電極（３４）は、前記少なくとも一つの触媒活性材料として、金、白金、アルミニウム、パラジウム、レニウム、ルテニウム、イリジウム、チタン、窒化チタン、窒化タンタル及び／又はロジウムを含む、請求項６に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項８】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）側とは反対側に設けられている前記第２のセンサ電極（３６）は、少なくとも一つの半導体材料を含む、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項９】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）側とは反対側に設けられている前記第２のセンサ電極（３６）は、前記少なくとも一つの半導体材料として、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、炭化ケイ素及び／又は窒化ガリウムを含む、請求項８に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの物質としての少なくとも一種類の水素含有ガス及び／又は少なくとも一種類の窒素酸化物の、前記測定キャビティ（１４）内の前記容量性センサ装置（３２）のもとでの濃度の変化によって、前記各容量性センサ装置（３２）の前記キャパシタンスが変化する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）は導体を介して前記広帯域ラムダセンサの評価装置に電気的に接続されており、
前記評価装置は、前記各容量性センサ装置（３２）において漏れ電流、キャパシタンス（Ｃ）、バイアス電圧に依存するインピーダンス及び／又は周波数に依存するインピーダンスを求めるように構成されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１２】
広帯域ラムダセンサの製造方法であって、
前記広帯域ラムダセンサの動作時に、酸素ポンプセルを用いて、前記広帯域ラムダセンサの測定キャビティ（１４）から前記広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素が運ばれるように、外側ポンプ電極（１０）及び内側ポンプ電極（１２）を備えている広帯域ラムダセンサの酸素ポンプセルを形成するステップ（Ｓ１）と、
ネルンスト電極（２０）及び基準電極（２２）を備えている、前記広帯域ラムダセンサのネルンスト濃度セルを形成するステップ（Ｓ２）と、
前記広帯域ラムダセンサの動作時に容量性センサ装置（３２）のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）を形成するステップ（Ｓ３）とを備えている製造方法において、
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）が、前記測定キャビティ（１４）に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に前記測定キャビティ（１４）内に突出するように、前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）を前記広帯域ラムダセンサ内に配置することを特徴とする、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広帯域ラムダセンサに関する。更に本発明はラムダセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、広帯域ラムダセンサの種々の実施の形態が開示されている。各広帯域ラムダセンサは、外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極を備えている酸素ポンプセルと、ネルンスト電極及び基準電極を備えているネルンスト濃度セルとを有している。更に、各広帯域ラムダセンサの外面には、各広帯域ラムダセンサの外部環境における排ガスの炭化水素含有量を測定することができる、少なくとも一つのＨＣ電極が配置されている。この少なくとも一つのＨＣ電極には、排ガスの攻撃性の成分から保護するために、二酸化ジルコニウムから成る多孔性の保護層が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ドイツ公開特許１０１  ６３  ９４２号
【発明の概要】
【発明の効果】
【０００４】
本発明により、請求項１の特徴部分に記載の構成を備えている広帯域ラムダセンサ、並びに、請求項１２の特徴部分に記載の構成を備えている広帯域ラムダセンサの製造方法が提供される。
【０００５】
本発明は、酸素分圧（又はラムダ値）の検出と、少なくとも一つの成分の検出とを組み合わせるために構成されている広帯域ラムダセンサを提供する。本発明による広帯域ラムダセンサの有利な多機能に基づき、所定のボリューム内の物質の組成を分析するために必要とされるセンサの数を減らすことができる。これによって、物質の組成を分析するために必要とされる複数のセンサを所定の容積内に配置する際の手間も低減される。更には、本発明による広帯域ラムダセンサの有利な多機能に基づき、不要な別のセンサに関するコストも削減することができる。
【０００６】
また本発明による広帯域ラムダセンサの顕著な利点は、各測定キャビティに組み込まれている少なくとも一つの容量性センサ装置が既に、その有利な配置構成に基づき、各広帯域ラムダセンサの外部環境に存在する攻撃性の環境要因（例えばガス、スス、灰及び／又は熱）から保護されているということである。従って、一般的に従来技術による条件では必要とされる保護層を省略することができる。つまり本発明は、多機能の広帯域ラムダセンサのコスト及び製造の手間の低減にも貢献するものである。
【０００７】
更には、本発明による広帯域ラムダセンサが測定キャビティに組み込まれていることによって、少なくとも一つの容量性センサ装置の感度が改善される。本発明による広帯域ラムダセンサでは、少なくとも一つの容量性センサ装置を用いて実施される測定のために、測定キャビティにおいては酸素濃度が正確に規定されており、且つ比較的低いという利点を活かすことができる。通常の場合、各測定キャビティには酸素は殆ど存在しないので、少なくとも一つの容量性センサ装置を用いて実施される測定に及ぼされる、酸素に起因する相互作用を危惧する必要はない。従って、少なくとも一つの容量性センサ装置の感度は極めて高いものとなっている。
【０００８】
一つの有利な実施の形態においては、少なくとも一つの容量性センサ装置がそれぞれ、第１のセンサ電極と第２のセンサ電極とをそれぞれ一つ有しており、且つ、第１のセンサ電極と第２のセンサ電極との間に設けられている少なくとも一つの誘電体を有している。従って、少なくとも一つのＭＩＭ構造（金属−絶縁体−金属構造：Metal-Insulator-Metal-Structure）を、少なくとも一つの容量性センサ装置として、広帯域ラムダセンサの測定キャビティに組み込むことができる。簡単に実施できる方法ステップによって測定キャビティ内にＭＩＭ構造を形成することができるので、著しい手間を要することなく、少なくとも一つの容量性センサ装置を、広帯域ラムダセンサの測定キャビティに組み込むことができる。更に、広帯域ラムダセンサを比較的大きく構成せずとも、少なくとも一つのＭＩＭ構造を広帯域ラムダセンサの測定キャビティ内に容易に形成することができる。
【０００９】
例えば、各容量性センサ装置の少なくとも一つの誘電体は、少なくとも、二酸化ケイ素、二酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコン、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、ケイ化タングステン及び／又はケイ化タンタルを含む。従って、少なくとも一つの誘電体を、廉価で（特に半導体技術において）比較的使用頻度の高い多数の材料の中から選択することができる。
【００１０】
有利には、各容量性センサ装置の少なくとも一つの誘電体は、少なくとも広帯域ラムダセンサの動作温度と等しい温度において、バイアス電圧に依存する誘電率及びインピーダンスを有している少なくとも一つの材料を含む。特に、この少なくとも一つの材料として各容量性センサ装置の少なくとも一つの誘電体は、少なくとも、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩及び／又はチタン酸バリウムストロンチウムを含むことができる。しかしながら、ここに挙げた材料の代わりに、又はそれらの材料の他に、少なくとも上述の動作温度において極性を有する別の材料、特に別の強磁性体を使用することができる。
【００１１】
一つの別の有利な実施の形態においては、各容量性センサ装置の、測定キャビティと対向している第１のセンサ電極は、少なくとも一つの触媒活性材料を含んでいる。これによって、センサ素子の感度を改善することができる。
【００１２】
例えば、各容量性センサ装置の、測定キャビティと対向している第１のセンサ電極は、少なくとも一つの触媒活性材料として、金、白金、アルミニウム、パラジウム、レニウム、ルテニウム、イリジウム、チタン、窒化チタン、窒化タンタル及び／又はロジウムを含むことができる。しかしながら、ここに挙げた触媒活性材料は単なる例示と解すべきことを言及しておく。
【００１３】
一つの別の有利な実施の形態においては、各容量性センサ装置の、測定キャビティ側とは反対側に設けられている第２のセンサ電極は、少なくとも一つの半導体材料を含んでいる。必要に応じて、同一の容量性センサ装置の第１のセンサ電極も少なくとも一つの半導体材料、特に第２のセンサ電極と同じ半導体材料を有することができる。
【００１４】
特に、各容量性センサ装置の、測定キャビティ側とは反対側に設けられている第２のセンサ電極は、少なくとも一つの半導体材料として、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、炭化ケイ素及び／又は窒化ガリウムを含むことができる。ここに挙げた半導体材料を、第１のセンサ電極にも使用することができる。従って、廉価であり、且つ、半導体技術において使用頻度の高い多くの半導体材料を、少なくとも一つの容量性センサ装置を製造するために使用することができる。
【００１５】
有利には、少なくとも一つの物質としての少なくとも一種類の水素含有ガス及び／又は少なくとも一種類の窒素酸化物の、測定キャビティ内の容量性センサ装置のもとでの濃度の変化によって、各容量性センサ装置のキャパシタンス又はインピーダンスが変化する。従って、少なくとも一つの容量性センサ装置は、例え水素、多数の炭化水素、特にプロパン、アンモニア、一酸化窒素及び二酸化窒素を検知／検出するために使用することができる。つまり特に有利には、本発明による広帯域ラムダセンサを、車両の排ガス管内の排ガスの分析に使用することができる。
【００１６】
有利には、少なくとも一つの容量性センサ装置は、導体を介して、広帯域ラムダセンサの評価装置に電気的に接続されている。この場合有利には、評価装置は、各容量性センサ装置において漏れ電流、キャパシタンス、バイアス電圧に依存するインピーダンス及び／又は周波数に依存するインピーダンスを求めるように構成されている。つまり下記において一例に基づき説明するように、少なくとも一つの容量性センサ装置を高い信頼性で、多数の検出方法及び測定方法のために利用することができる。
【００１７】
上記において説明した利点は、広帯域ラムダセンサの相応の製造方法の実施によっても実現することができる。広帯域ラムダセンサの上述の実施の形態に即して、製造方法を発展させることができる。
【００１８】
以下では、本発明の更なる特徴及び利点を図面に基づき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】広帯域ラムダセンサの一つの実施の形態の概略的な部分図を示す。
【図１ｂ】広帯域ラムダセンサの一つの実施の形態の概略的な部分図を示す。
【図２ａ】広帯域ラムダセンサの上述の実施の形態の機能を説明するための座標系を示す。
【図２ｂ】広帯域ラムダセンサの上述の実施の形態の機能を説明するための座標系を示す。
【図３】ラムダセンサの製造方法の一つの実施の形態を説明するためのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１ａ及び図１ｂには、広帯域ラムダセンサの一つの実施の形態の概略的な部分図が示されている。
【００２１】
図１ａにその一部が示されている広帯域ラムダセンサは、外側ポンプ電極１０及び内側ポンプ電極１２を含む酸素ポンプセルを有している。ポンプ電極１０及び１２を備えている酸素ポンプセルは、広帯域ラムダセンサの測定キャビティ１４から広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素を運ぶために設計されている。もっとも、多孔性の拡散バリア１６を介する酸素の流れをポンプ電極１０及び１２間に印加される電圧によって制御することは従来技術から公知であるので、ここでは酸素ポンプセルについて詳細には検討しない。
【００２２】
測定キャビティ１４は、広帯域ラムダセンサの外部環境に対する多孔性の拡散バリア１６によって画定される。例えばこのために、広帯域ラムダセンサのケーシング／サブストレート構造１８内に形成されており、且つ、外部環境から測定キャビティ１４へと延びている開口部を多孔性の拡散バリア１６によって密閉することができる。
【００２３】
広帯域ラムダセンサは、ネルンスト電極２０及び基準電極２２を備えているネルンスト濃度セルも有している。ネルンスト濃度セルの酸素ポンプセルとの相互作用は従来技術から既に公知であるので、ここではその相互作用について検討しない。外側ポンプ電極１０は広帯域ラムダセンサの外面に配置されているのに対し、内側ポンプ電極１２及びネルンスト電極２０は測定キャビティ１４に直接的に接するように配置されている、及び／又は、少なくとも部分的に測定キャビティ１４内に突出している。従って、測定キャビティ１４内に存在する少なくとも一種類のガスは電極１２及び２０に直接的に接触している。基準電極２２は図１ａに概略的に示した基準チャネル２４内に配置されているか、又は基準チャネル２４に接するように配置されている。基準チャネル２４の特定の構成／配置に制限されることなく広帯域ラムダセンサを構成することができるので、ここでは広帯域ラムダセンサの構成について詳細には検討しない。
【００２４】
攻撃性の環境要因からの保護を目的として、外側ポンプ電極１０を少なくとも部分的に多孔性の保護層２６及び／又は非多孔性の保護層２８によって覆うことができる。同様に、広帯域ラムダセンサのその他の外面を、保護層２６及び２８の内の一方によって覆うことができる。基準電極２２も少なくとも一つの（多孔性又は非多孔性の）保護層３０によって取り囲むことができる。
【００２５】
広帯域ラムダセンサは少なくとも一つの容量性センサ装置３２を含んでおり、この少なくとも一つの容量性センサ装置３２は、測定キャビティ１４に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に測定キャビティ１４内に突出するように、広帯域ラムダセンサ内に配置されている。またこの少なくとも一つの容量性センサ装置３２は、（測定キャビティ１４内の）各容量性センサ装置３２のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によって、そのキャパシタンスが変化するように構成されている。つまり少なくとも一つの容量性センサ装置３２を、少なくとも一つの物質を検出／検知するため、特に少なくとも一つの物質を測定するために使用することができる。従って、広帯域ラムダセンサを、ラムダ値を測定するためだけでなく、少なくとも一つの物質を検出／検知するためにも、特にその少なくとも一つの物質の濃度を求めるためにも利用することができる。広帯域ラムダセンサの有利な多機能に基づき、従来は少なくとも一つの物質を検出／検知するために付加的に必要とされた別のセンサを省略することができる。広帯域ラムダセンサのこの多機能に基づき、少なくとも一つの物質を検出するためのガスセンサを取り付けるために必要とされる固有のスペースも不要になる。
【００２６】
測定キャビティ１４内に存在する低酸素雰囲気に接している、又はその低酸素雰囲気内に位置している、少なくとも一つの容量性センサ装置３２の有利な配置構成に基づき、少なくとも一つの容量性センサ装置３２を用いて実施される検査／測定に及ぼされる、酸素に起因する相互作用を危惧する必要はない。従って、測定キャビティ１４に組み込まれている少なくとも一つの容量性センサ装置３２の感度は非常に高い。
【００２７】
更には、少なくとも一つの容量性センサ装置３２が測定キャビティ１４に有利に組み込まれていることに基づき、通常の場合、容量性センサ装置３２の近傍の周囲環境における攻撃性の環境要因の影響は少なくなる。従って、測定キャビティ１４に組み込まれている少なくとも一つの容量性センサ装置３２を、その容量性センサ装置３２の近傍の周囲環境における攻撃性のガスから保護する必要は無い。これによって、従来では必要とされる保護層を省略することができる。更には、そのような有利な組み込みは、少なくとも一つの容量性センサ装置３２の寿命／使用時間の延長にとって有用である。
【００２８】
有利には、少なくとも一つの物質としての少なくとも一種類の水素含有ガス及び／又は少なくとも一種類の窒素酸化物の、測定キャビティ１４内の容量性センサ装置３２のもとでの濃度の変化によって、各容量性センサ装置３２又は少なくとも一つの容量性センサ装置３２のキャパシタンスが変化する。従って、少なくとも一つの物質としての水素（Ｈ2）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）、アンモニア（ＮＨ3）、一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ2）等を少なくとも一つの容量性センサ装置３２によって検出／検知することができる。特にその場合には、少なくとも一つの容量性センサ装置３２を、ここに挙げた還元ガス又は酸化ガスの少なくとも一つの濃度を測定するために利用することができる。つまり広帯域ラムダセンサを、特に、自動車の排ガス管において場合によっては生じる有害ガスを検知するために使用することができる。従って、特にエンジン内での燃料の燃焼及び／又は排ガス後処理を広帯域ラムダセンサによって効果的に制御することができる。
【００２９】
図１ｂには、図１ａの少なくとも一つの容量性センサ装置３２の部分が拡大されて示されている。この図１ｂの実施の形態において、図示されている容量性センサ装置３２は、第１のセンサ電極３４、第２のセンサ電極３６、並びに、第１のセンサ電極３４と第２のセンサ電極３６との間に設けられている少なくとも一つの誘電体３８を有している。従って、少なくとも一つの容量性センサ装置３２を、ＭＩＭ構造／ＭＩＭ電極（金属−絶縁体−金属構造、金属−絶縁体−金属電極）として形成することができる。各広帯域ラムダセンサの寸法を著しく増大させずとも、その種の容量性センサ装置３２を測定キャビティ１４内に容易に組み込むことができる。
【００３０】
第１のセンサ電極３４は、有利には測定キャビティ１４と対向している。このことは、第１のセンサ電極３４の、第２のセンサ電極３６側とは反対側に設けられている接触面４０が測定キャビティ１４内に存在する少なくとも一種類のガスと直接的に接触していることを意味している。これに対して、第２のセンサ電極３６については、測定キャビティ１４側とは反対側に配置／配向することが好適である。つまり有利には、第２のセンサ電極３６は少なくとも一つの誘電体３８及び第１のセンサ電極３４によって、測定キャビティ１４内に存在する少なくとも一種類のガスから完全に遮断されている。第２のセンサ電極３６を例えば、ケーシングのサブストレート／サブストレート構造１８に配置／固定することができる。
【００３１】
第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６を、閉じた金属層として、又は多孔性の金属層として形成することができる。例えば、第２のセンサ電極３６を閉じた金属層とすることができ、その一方で第１のセンサ電極３４は多孔性に形成されている。測定キャビティ１４と対向している第１のセンサ電極３４は少なくとも一つの触媒活性材料を含むことができる。特に、測定キャビティ１４と対向している第１のセンサ電極３４は、少なくとも一つの触媒活性材料として、金、白金、アルミニウム、パラジウム、レニウム、ルテニウム、イリジウム、チタン、窒化チタン、窒化タンタル及び／又はロジウムを含むことができる。しかしながら、ここに挙げた材料を、第２のセンサ電極３６を形成するためにも使用することができる。
【００３２】
例えば、測定キャビティ１４側とは反対側に設けられている第２のセンサ電極３６は少なくとも一つの半導体材料を含んでいる。特に、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、炭化ケイ素及び／又は窒化ガリウムを少なくとも一つの半導体材料として、少なくとも第２のセンサ電極を形成するために使用することができる。しかしながら所望であれば、第１のセンサ電極３４もここに挙げた半導体材料又は他の半導体材料から形成することができる。
【００３３】
第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６の内の少なくとも一方を、金属母材と少なくとも一つのセラミック材料から成る複合材料（サーメット）から形成することもできる。従って、種々の多数の基礎材料を、耐摩耗性の第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６を形成するために使用することができる。
【００３４】
有利には、第１のセンサ電極３４と第２のセンサ電極３６が異なる材料から形成される。しかしながら第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６を同一の材料から形成することができるか、又は第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６は同一の材料組成を有することができる。第１のセンサ電極３４及び第２のセンサ電極３６の構成／配置に関する別の実現形態についてはDE 10 2009 029 621 A1を参照されたい。
【００３５】
少なくとも一つの誘電体３８は例えば、二酸化ケイ素、二酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、ケイ化タングステン及び／又はケイ化タンタルを含むことができる。しかしながらここに挙げた材料の他に、又はそれらの材料に代わるものとして、少なくとも一つの誘電体３８は、別の絶縁性材料も有することができる。有利には、少なくとも一つの誘電体３８は更に、少なくとも広帯域ラムダセンサの動作温度と同じ温度において電気分極することができる少なくとも一つの材料を含む。つまり換言すれば、少なくとも一つの材料は少なくとも広帯域ラムダセンサの動作温度と同じ温度において、バイアス電圧に依存する（又はＤＣバイアス電圧に依存する）誘電率及びインピーダンスを有している。従って、少なくとも一つの誘電体３８を、有利には分極可能な種を含有している、少なくとも一つの誘電性薄層と称することもできる。例えば少なくとも一つの誘電体３８は、少なくとも、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩及び／又はチタン酸バリウムストロンチウムを少なくとも一つの材料／少なくとも一つの分極可能な種として含むことができる。
【００３６】
広帯域ラムダセンサを補完するものとして、広帯域ラムダセンサには更に少なくとも一つの加熱線４２を組み込むことができ、この加熱線４２は有利には絶縁性の伝熱材料４４内に埋め込まれている。加熱線の組み込みに基づき、付加的な手間を要することなく、測定キャビティ１４においては少なくとも一つの容量性センサ装置３２を広帯域ラムダセンサの別のコンポーネントと共に少なくとも一つの加熱線路４２を用いて加熱することができる。従って、広帯域ラムダセンサのエネルギ消費量は、広帯域ラムダセンサに少なくとも一つの容量性センサ装置３２が付加的に設けられているとしても殆ど上昇しない。
【００３７】
少なくとも一つの容量性センサ装置３２を、（図示していない）導体を介して、広帯域ラムダセンサの評価装置に電気的に接続することができる。特に、広帯域ラムダセンサに少なくとも一つの容量性センサ装置３２を接触させるために、ラミネートされた導体を形成することができる。従って、少なくとも一つの容量性センサ装置３２を接触させるために、広帯域ラムダセンサの少なくとも一つの別の電極１０，１２，２０及び２２に対しても使用されるタイプの導体を用いることができる。つまり、少なくとも一つの容量性センサ装置３２の接触部を形成することに殆ど手間はかからない。
【００３８】
図１ａ及び図１ｂには示していない評価装置は、少なくとも一つの容量性センサ装置３２において少なくとも一つの信号を取り出し、及び／又は、少なくとも一つの容量性センサ装置３２から供給される少なくとも一つの信号を受信し、その少なくとも一つの信号を考慮して、少なくとも一つの物質の検出可能性及び／又は濃度に関する少なくとも一つの情報を確定するように構成することができる。続けて、評価装置は確定された情報を出力することができる、及び／又は、確定された情報を、燃料を内燃機関に噴射するための噴射装置のような少なくとも一つの装置及び／又は排ガス後処理システムの装置を制御するために使用することができる。
【００３９】
有利には、評価装置は、少なくとも一つの容量性センサ装置３２において漏れ電流、キャパシタンス、バイアス電圧に依存するインピーダンス及び／又は周波数に依存するインピーダンスを求めるために構成されている（バイアス電圧に依存するインピーダンス及び周波数に依存するインピーダンスを評価装置によって求めることもできる）。評価装置のその種の構成の利点は下記の例より明らかになる。
【００４０】
図２ａ及び図２ｂには、広帯域ラムダセンサの上述の実施の形態の機能を説明するための座標系が示されている。
【００４１】
図２ａ及び図２ｂの座標系において、横軸はそれぞれ時間軸ｔ（単位：分）である。図２ａの座標系の縦軸によって（標準化された）キャパシタンスＣが表されている。図２ｂの座標系の縦軸は、種々のガスの濃度ｃ（単位：パーセント）を表している。
【００４２】
図２ａ及び図２ｂに示されている例においては、濃度ｃ（ＮＯ2）の二酸化窒素（ＮＯ2）、濃度ｃ（ＮＨ3）のアンモニア（ＮＨ3）、濃度ｃ（Ｃ3Ｈ6）のプロパン（Ｃ3Ｈ6）、濃度ｃ（ＮＯ）の一酸化窒素（ＮＯ）、及び、濃度ｃ（Ｈ2）の水素（Ｈ2）が測定キャビティへと順次注入される。上記に挙げた各ガスにおいて、濃度が第１段階で１００％、第２の段階で５０％、また第３段階で１０％に調節される。その後は、二酸化窒素の三つの異なる段階の調節が繰り返される。種々のガスの中断期間には測定キャビティが洗浄される。
【００４３】
図２ａに示したキャパシタンスＣから見て取れるように、上記に挙げた各ガスは濃度が低くなったときですら、そのキャパシタンスＣは依然として初期値から著しく偏差している。従って広帯域ラムダセンサは、上記に挙げた全てのガスの検出／検知に適している。
【００４４】
図３には、広帯域ラムダセンサの製造方法の一つの実施の形態を説明するためのフローチャートが示されている。
【００４５】
例えば、この製造方法を上述の広帯域ラムダセンサを製造するために実施することができる。しかしながら、製造方法の実施はこの広帯域ラムダセンサの製造に限定されるものではない。
【００４６】
方法ステップＳ１においては、外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極を備えている広帯域ラムダセンサの酸素ポンプセルが形成される。このことは、広帯域ラムダセンサの動作時に、酸素ポンプセルを用いて、広帯域ラムダセンサの測定キャビティから広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素が運ばれるように行われる。ネルンスト電極及び基準電極を備えている広帯域ラムダセンサのネルンスト濃度セルの形成は方法ステップＳ２において行われる。
【００４７】
更に方法ステップＳ３においては、広帯域ラムダセンサの動作時に、容量性センサ装置のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する少なくとも一つの容量性センサ装置が形成される。少なくとも一つの容量性センサ装置は、この少なくとも一つの容量性センサ装置が、測定キャビティに直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に測定キャビティ内に突出するように、広帯域ラムダセンサ内に配置されている。
【００４８】
少なくとも一つの容量性センサ装置をＭＩＭ構造として形成するための有利な実現形態は上記において既に説明した。ＭＩＭ構造の少なくとも一つの誘電体を、例えば、スパッタリング又は原子層堆積（Atomic Layer Deposition）によって、第２のセンサ電極の少なくとも一つの面に被着させることができる。シルクスクリーン法とそれに続く焼結によっても、少なくとも一つの誘電体を第２のセンサ電極に堆積させることができる。続いて第１のセンサ電極を、少なくとも一つの誘電体の、第２のセンサ電極側とは反対側の外面に配置することができる。
【００４９】
特に、広帯域ラムダセンサをマイクロシステム技術によっても製造することができる。上述の製造方法を、単一の広帯域ラムダセンサを製造するため、又は、複数の広帯域ラムダセンサを同時に製造するために実施することができる。また、この製造方法は方法ステップＳ１からＳ３の特定の時間順序を維持することでしか実施できないものではないことを言及しておく。方法ステップＳ１からＳ３を任意の順序で、又は同時に実施することができる。
【図１ａ】
2015132609.tif 000003
【図１ｂ】
2015132609.tif 000004
【図２ａ】
2015132609.tif 000005
【図２ｂ】
2015132609.tif 000006
【図３】
2015132609.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月6日(2015.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域ラムダセンサの測定キャビティ（１４）から広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素を運ぶ、外側ポンプ電極（１０）及び内側ポンプ電極（１２）を備えている酸素ポンプセルと、
ネルンスト電極（２０）及び基準電極（２２）を備えているネルンスト濃度セルと、
各容量性センサ装置（３２）のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する、少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）とを有している、広帯域ラムダセンサにおいて、
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）は、該少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）が、前記測定キャビティ（１４）に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に前記測定キャビティ（１４）内に突出するように、前記広帯域ラムダセンサ内に配置されていることを特徴とする、広帯域ラムダセンサ。
【請求項２】
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）はそれぞれ、第１のセンサ電極（３４）及び第２のセンサ電極（３６）をそれぞれ一つ有しており、且つ、前記第１のセンサ電極（３４）と前記第２のセンサ電極（３６）との間に設けられている少なくとも一つの誘電体（３８）を有している、請求項１に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項３】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、二酸化ケイ素、二酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコン、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、ケイ化タングステン又はケイ化タンタルの内の少なくとも一つを含む、請求項２に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項４】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、少なくとも前記広帯域ラムダセンサの動作温度と等しい温度において、バイアス電圧に依存する誘電率及びインピーダンスを有している少なくとも一つの材料を含む、請求項２又は３に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項５】
前記各容量性センサ装置（３２）の前記少なくとも一つの誘電体（３８）は、前記少なくとも一つの材料として、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩又はチタン酸バリウムストロンチウムの内の少なくとも一つを含む、請求項４に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項６】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）と対向している前記第１のセンサ電極（３４）は、少なくとも一つの触媒活性材料を含む、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項７】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）と対向している前記第１のセンサ電極（３４）は、前記少なくとも一つの触媒活性材料として、金、白金、アルミニウム、パラジウム、レニウム、ルテニウム、イリジウム、チタン、窒化チタン、窒化タンタル又はロジウムの内の少なくとも一つを含む、請求項６に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項８】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）側とは反対側に設けられている前記第２のセンサ電極（３６）は、少なくとも一つの半導体材料を含む、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項９】
前記各容量性センサ装置（３２）の、前記測定キャビティ（１４）側とは反対側に設けられている前記第２のセンサ電極（３６）は、前記少なくとも一つの半導体材料として、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、炭化ケイ素又は窒化ガリウムの内の少なくとも一つを含む、請求項８に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの物質としての少なくとも一種類の水素含有ガス及び／又は少なくとも一種類の窒素酸化物の、前記測定キャビティ（１４）内の前記容量性センサ装置（３２）のもとでの濃度の変化によって、前記各容量性センサ装置（３２）の前記キャパシタンスが変化する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）は導体を介して前記広帯域ラムダセンサの評価装置に電気的に接続されており、
前記評価装置は、前記各容量性センサ装置（３２）において漏れ電流、キャパシタンス（Ｃ）、バイアス電圧に依存するインピーダンス又は周波数に依存するインピーダンスの内の少なくとも一つを求めるように構成されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の広帯域ラムダセンサ。
【請求項１２】
広帯域ラムダセンサの製造方法であって、
前記広帯域ラムダセンサの動作時に、酸素ポンプセルを用いて、前記広帯域ラムダセンサの測定キャビティ（１４）から前記広帯域ラムダセンサの外部環境へと酸素が運ばれるように、外側ポンプ電極（１０）及び内側ポンプ電極（１２）を備えている広帯域ラムダセンサの酸素ポンプセルを形成するステップ（Ｓ１）と、
ネルンスト電極（２０）及び基準電極（２２）を備えている、前記広帯域ラムダセンサのネルンスト濃度セルを形成するステップ（Ｓ２）と、
前記広帯域ラムダセンサの動作時に容量性センサ装置（３２）のもとでの少なくとも一つの物質の濃度の変化によってキャパシタンスが変化する少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）を形成するステップ（Ｓ３）とを備えている製造方法において、
前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）が、前記測定キャビティ（１４）に直接的に接するように、及び／又は、少なくとも部分的に前記測定キャビティ（１４）内に突出するように、前記少なくとも一つの容量性センサ装置（３２）を前記広帯域ラムダセンサ内に配置することを特徴とする、製造方法。