專利名稱：具有簡化電接觸的加熱的跳躍型探頭的制作方法
具有簡化電接觸的加熱的跳躍型探頭
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及已知的傳感器元件，這些傳感器元件基于特定固體的電解特性，即基 于固體的傳導(dǎo)特定離子的能力。這樣的傳感器元件尤其應(yīng)用在機動車中，用于測量空氣燃 料氣體混合物成分，在這種情況下這些傳感器元件也被稱為“氧傳感器(λ傳感器)”并且 在減少廢氣中的有害物質(zhì)方面不但在奧托發(fā)動機而且在柴油技術(shù)中起著重要作用。在此，通常在燃燒技術(shù)中用所謂的空氣(過剩)系數(shù)“拉姆達(dá)”(λ)表示實際提 供的空氣質(zhì)量與燃燒在理論上所需的(即化學(xué)計量的)空氣質(zhì)量之間的比?？諝庀禂?shù)在此 借助一個或多個傳感器元件大多在內(nèi)燃機的排氣管線中的一個或多個位置處被測量。相應(yīng) 地，“富的”氣體混合物(即燃料過剩的氣體混合物)具有空氣系數(shù)λ < 1，而“貧的”氣體 混合物(即燃料不足的氣體混合物)具有空氣系數(shù)λ > 1。除了機動車技術(shù)，這樣的或類 似的傳感器元件也應(yīng)用在其它技術(shù)領(lǐng)域(尤其燃燒技術(shù))中，例如應(yīng)用在航空技術(shù)中或者 在調(diào)節(jié)燃燒器時例如應(yīng)用在加熱設(shè)備或發(fā)電站中。這樣的傳感器元件在此期間以大量的不同實施方式公知。一種實施方式是所謂的 “跳躍型探頭”，它的測量原理基于暴露在基準(zhǔn)氣體下的基準(zhǔn)電極與暴露在待測量的氣體混 合物下的測量電極之間的電化學(xué)的電位差的測量?；鶞?zhǔn)電極和測量電極通過固體電解質(zhì)相 互連接，其中，由于它的傳導(dǎo)氧離子的特性通常使用摻雜的二氧化鋯(例如釔穩(wěn)定的&02) 或類似的陶瓷作為固體電解質(zhì)。理論上，正好在富的氣體混合物與貧的氣體混合物之間的 過渡中，這些電極之間的電位差具有特征化的跳躍，該跳躍可以用于圍繞跳躍點λ =1有 源地調(diào)節(jié)氣體混合物成分。這種跳躍型探頭也被稱為“能斯特電池”，其各種不同的實施例 例如己在 Robert Bosch GmbH =Sensoren im Kraftfahrzeug, 2001 第 1 版第 112 至 115 頁 中描述。作為跳躍型探頭的變換或補充，也采用所謂的“泵電池(Pumpzellen) ”，在泵電池 中將電的“泵電壓(Pumpspanrumg) ”施加到通過固體電解質(zhì)連接的兩個電極上，其中，測量 通過泵電池的“泵電流(Pumpstrom) ”。與跳躍型探頭的原理不同，在泵電池中兩個電極通 常與待測量的氣體混合物處于連接。在此，兩個電極中的一個電極(大多通過可滲透的保 護(hù)層)直接地暴露在待測量的氣體混合物下。但是，這兩個電極中的第二電極這樣地構(gòu)造， 使得氣體混合物不能直接到達(dá)該電極，而是必須首先穿透所謂的“擴散壁壘”，以到達(dá)與該 第二電極鄰接的中空室中。作為擴散壁壘在此大多使用具有可有針對性地調(diào)節(jié)的空隙直徑 的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)。如果貧的氣體穿過擴散壁壘進(jìn)入中空室中，則借助泵電壓將負(fù)的第二電 極上的氧分子電化學(xué)地還原成氧離子，通過固體電解質(zhì)傳送到第一正電極并且在那里作為 自由氧重新釋放。這些傳感器元件大多以所謂的極限電流運行方式運行，即以這樣一種運 行方式運行，在該運行方式中泵電壓被這樣地選擇，使得穿過擴散壁壘進(jìn)入的氧全部被泵 送到反電極。在這種運行方式中，泵電流與廢氣混合物中的氧分壓近似成比例，從而這樣的 傳感器元件經(jīng)常也被稱為比例型傳感器。與跳躍型傳感器相比，這種比例型傳感器允許作 為所謂的寬帶式傳感器在比較寬的空氣系數(shù)λ范圍中使用。在很多傳感器元件中上述的傳感器原理也被結(jié)合，使得這些傳感器元件含有一個或多個根據(jù)跳躍型傳感器原理工作的傳感器(“電池”)和一個或多個比例型傳感器。因此， 例如根據(jù)泵電池原理工作的“單電池(Einzeller) ”的上述原理允許通過加入跳躍型電池 (能斯特電池)擴展為“雙電池(Doppelzeller)”。一種這樣的結(jié)構(gòu)例如在EP 0 678 740 Bl中描述。在此，借助能斯特電池測量上述與第二電極鄰接的中空室中的氧分壓并且通過 調(diào)節(jié)大多這樣地追蹤泵電壓，使得在中空室中始終存在條件λ = 1。也可想到其它的調(diào)節(jié)。 這樣的傳感器元件的其它例子已在Robert Bosch GmbH "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001，第116至117頁中描述。尤其在跳躍型探頭中，但是也在其它類型的、其中測量廢氣側(cè)的電極相對于被氧 環(huán)繞的基準(zhǔn)電極的電位的傳感器元件中，通常僅對于測量就需要兩根用于傳感器元件的連 接線。附加地，通常使用兩根另外的用于加熱的連接線，從而通?？偣残枰母娎|。在很 多情況下，沒有加熱元件的傳感器元件的運行是行不通的，因為未加熱的探頭在一些行駛 狀態(tài)下過冷以至不能提供可利用的信號。然而，傳感器元件的連接線或電纜的數(shù)目是傳感 器元件的價格的一個重要因數(shù)。因此，存在減少連接觸點的數(shù)目的努力。因此，DE 10 2005 003 813 Al例如描述了一種傳感器元件，其中當(dāng)基準(zhǔn)電極與機動車的地連接時，測量相對 于該地的能斯特電壓。在此，跳躍型探頭可以這樣地被運行，使得加熱器供電通過與能斯特 電池的兩根接線中的一根接線相同的電纜輸送，其中，信號被時鐘控制地分析處理。這能夠 實現(xiàn)具有三根電纜或接線的加熱的跳躍型探頭的運行。然而，即便對于在DE 10 2005 003 813 Al中所示的傳感器元件，仍然存在進(jìn)一步節(jié)省的需求，以進(jìn)一步降低傳感器元件的成 本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的基本構(gòu)思在于，能斯特電壓的讀取和探頭的加熱通過相同的、優(yōu)選唯一 的連接電纜運行，該加熱或讀取相對于地、尤其相對于機動車的地進(jìn)行。相應(yīng)地，根據(jù)本 發(fā)明提出了一種傳感器元件以及一種包括該傳感器元件的傳感器裝置，其能夠?qū)⒂|點的數(shù) 目、尤其電纜和/或引線的數(shù)目顯著地減少直至一根唯一的電纜，傳感器元件必須借助所 述觸點被接觸。該傳感器元件用于確定測量氣體室中氣體的至少一個物理特性。該傳感器元件尤 其可以設(shè)計用于確定測量氣體室內(nèi)的氣體中的氣體成分的濃度和/或分壓、尤其氧濃度或 氧分壓。特別優(yōu)選地，該傳感器元件可在內(nèi)燃機的廢氣中使用。然而也可想到其它設(shè)計方 案、待探測的氣體成分和用途，其中，例如可以參考現(xiàn)有技術(shù)的以上描述。該傳感器元件具有至少一個第一電極、至少一個第二電極和至少一個連接所述第 一電極與所述第二電極的的固體電解質(zhì)。該固體電解質(zhì)例如可以是傳導(dǎo)氧離子的固體電解 質(zhì)，例如釔穩(wěn)定的二氧化鋯(YSZ)。但是也可采用其它的固體電解質(zhì)材料。這些電極可以包 括例如金屬陶瓷電極，例如鉬金屬陶瓷電極。所述至少兩個電極和所述固體電解質(zhì)在此可 以構(gòu)成一能斯特電池。該傳感器元件還包括至少一個加熱元件。該加熱元件可以例如包括的回曲形的 加熱電阻軌道。該加熱元件可以尤其構(gòu)造用于將傳感器元件加熱到優(yōu)化的運行溫度，例如 500°C和800°C之間的溫度。該加熱元件具有至少兩個加熱觸點。這些加熱觸點中的至少一 個第一加熱觸點和第一電極可通過一共同的連接線接觸。該共同的連接線優(yōu)選集成在傳感器元件的陶瓷的層結(jié)構(gòu)中，使得該連接線可以通過一根唯一的外部接線接觸。這些加熱觸 點中的至少一個第二加熱觸點和第二電極與一共同的地線連接。該共同的地線也可以例如 完全地集成在陶瓷的層結(jié)構(gòu)中并且可以例如與傳感器元件的殼體、例如金屬殼體接觸，使 得該地線的通過觸點或電纜的外部接觸是不必要的。但是，這樣的外部接觸同樣是可以的。 也就是說，與現(xiàn)有技術(shù)不同，優(yōu)選該加熱元件、尤其該加熱元件的一個或多個加熱回曲部與 能斯特電池并聯(lián)連接。由此允許節(jié)省引線，從而能夠最終以僅僅一根引線運行該傳感器元 件。優(yōu)選地，所述第一電極與所述測量氣體室處于連接，例如直接地或通過透氣的保 護(hù)層(例如多孔的氧化鋁)與所述測量氣體室連接。所述第二電極優(yōu)選與從所述測量氣體 室分開的基準(zhǔn)氣體室處于連接。第一電極和第二電極能夠以這種方式與固體電解質(zhì)一起構(gòu) 成能斯特電池，其中將第一電極的電位與基準(zhǔn)氣體室中的第二電極的電位比較。在此，基準(zhǔn) 氣體室可以例如包括與工作環(huán)境連接的基準(zhǔn)氣體通道。例如，該工作環(huán)境可以包括發(fā)動機 室，在該發(fā)動機室中存在處于正常條件下的空氣。然而基準(zhǔn)氣體室的其它設(shè)計方案也是可 以的。因此，可以例如使用封閉的基準(zhǔn)氣體室，即這樣的基準(zhǔn)氣體室，它沒有或基本上沒有 被來自測量氣體室和/或工作環(huán)境的氣體加載。在這種情況下，例如可以通過以下方式保 持或產(chǎn)生封閉的基準(zhǔn)氣體室內(nèi)部的基準(zhǔn)氣氛，即該基準(zhǔn)氣體室作為“泵送的(gepumpte)基 準(zhǔn)”運行，例如由開頭所述的現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣。為此目的，該傳感器元件可以例如包括 至少一個另外的泵電極。該另外的泵電極可以例如設(shè)置在與基準(zhǔn)氣體室在空間上分開的基 準(zhǔn)氣體通道中，以便與基準(zhǔn)氣體室中的第二電極一起例如通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置控制地在基 準(zhǔn)氣體室中產(chǎn)生確定的氣氛(例如λ = 1)，該另外的泵電極也可以與第一電極完全地或部 分地相同。特別優(yōu)選的是，在第一電極和共同的連接線之間設(shè)有至少一個串聯(lián)電阻，例如歐 姆串聯(lián)電阻。該串聯(lián)電阻可以完全地集成在陶瓷的傳感器元件中，例如集成在該傳感器元 件的層結(jié)構(gòu)中。然而，變換地或附加地，原則上也可想到在層結(jié)構(gòu)外部的串聯(lián)電阻的設(shè)計方案。在使用至少一個串聯(lián)電阻的情況下，尤其在串聯(lián)電阻至少部分地集成在層結(jié)構(gòu)中 時，該加熱元件與能斯特電池及串聯(lián)電阻并聯(lián)連接。該串聯(lián)電阻用于在并聯(lián)連接中避免能 斯特電池的損壞，尤其在傳感器元件的時鐘控制的運行方式中，如下面詳細(xì)描述的那樣。優(yōu) 選地，包括第一電極、固體電解質(zhì)和第二電極的能斯特電池具有能斯特電池電阻。在這種情 況下，所述串聯(lián)電阻優(yōu)選被這樣地選擇，使得在傳感器元件的運行中，即例如在傳感器元件 的典型的運行溫度下，所述串聯(lián)電阻具有所述能斯特電池電阻的2至10倍數(shù)值、優(yōu)選約6 倍數(shù)值。以這種方式確保，在加熱元件上下降的電壓的主要份額施加在串聯(lián)電阻上，從而避 免能斯特電池的損壞，在加熱元件上下降的電壓由于所述的并聯(lián)連接也在并聯(lián)的、包括能 斯特電池和串聯(lián)電阻的分支上下降。然而有利的是，也可以完全消除附加的串聯(lián)電阻，尤其當(dāng)能斯特電池的歐姆電阻 本身設(shè)計得足夠大時。這可以例如通過固體電解質(zhì)、例如&02材料的足夠厚度和/或通過 固體電解質(zhì)的成分實現(xiàn)。該電阻應(yīng)選擇成至少這么大，以至尤其在達(dá)到運行溫度時加熱電 壓的足夠大的份額在固體電解質(zhì)、例如陶瓷上下降并且僅這么小的電壓在固體電解質(zhì) 與該電極或這些電極之間的分界面上下降，從而不出現(xiàn)損壞。
還提出了一種用于確定測量氣體室中氣體的至少一個物理特性的傳感器裝置，該 傳感器裝置包括至少一個根據(jù)以上實施例中的一個或多個實施例的傳感器元件。該傳感器 裝置還包括至少一個控制裝置，該控制裝置例如可以完全地或部分地集成在機動車的發(fā)動 機控制裝置中。但是分開的控制裝置是可以的。在此，該控制裝置可以被設(shè)置用于實施在 下面描述的用于運行傳感器裝置的方法，使得除了所述的控制裝置和傳感器裝置外根據(jù)本 發(fā)明也提供了 一種用于運行傳感器元件的運行方法。該控制裝置例如可以完全地或部分地 借助數(shù)據(jù)處理裝置實施并且可以包括相應(yīng)的程序技術(shù)的步驟，這些步驟例如借助適當(dāng)?shù)挠?算機程序執(zhí)行。所述控制裝置被設(shè)置用于使所述連接線可選地與電能量源或者與測量裝置連接。 為了該可選擇的連接，可以設(shè)置例如一個或多個開關(guān)，使得尤其可以建立二選一的連接。該 電能量源可以例如包括電壓源和/或電流源。例如，該控制裝置可以被設(shè)置用于使連接線 與該電能量源的電正極連接。該測量裝置尤其可以包括電測量裝置，尤其電壓測量裝置和 /或電流測量裝置。上述具有第一和第二電極、固體電解質(zhì)、連接線和地線的傳感器裝置優(yōu)選構(gòu)造為 單一的傳感器元件，即構(gòu)造為唯一的陶瓷的層結(jié)構(gòu)，而控制裝置優(yōu)選與該層結(jié)構(gòu)分開地構(gòu) 造。為此目的，該控制裝置例如可以通過一根或多根連接線或電纜與該傳感器連接。如上 所述，在此優(yōu)選僅使用一單獨的電纜將控制裝置與連接線連接，而地線與傳感器元件的地 連接。例如可以包括傳感器殼體的該地可以例如與發(fā)動機組或機動車的地連接。特別優(yōu)選的是，所述控制裝置被這樣地設(shè)置，使得在至少一個加熱階段中所述連 接線與所述電能量源連接并且在至少一個測量階段中所述連接線與所述測量裝置連接。所 述控制裝置可以尤其被設(shè)置用于由所述測量裝置的至少一個信號推導(dǎo)出氣體的物理特性， 尤其推導(dǎo)出氧濃度和/或氧分壓。該分析處理過程可以絕對地進(jìn)行，其方式是使測量裝置 的絕對信號例如分析地、經(jīng)驗地或半經(jīng)驗地與物理特性相關(guān)，例如通過相應(yīng)的分析處理功 能、表格、相關(guān)曲線等等。但是變換地或附加地，也可以使用例如雙點調(diào)節(jié)，其中分析處理步 驟僅在于確定例如氣體混合物是處在富的狀態(tài)中還是處在貧的狀態(tài)中。在這種情況下，該 分析處理即為數(shù)字分析處理，它代替絕對測量值僅提供富/貧信息。特別優(yōu)選的是，傳感器元件被時鐘控制地運行。在此，能斯特電壓的讀取優(yōu)選在兩 個加熱時鐘之間的時間內(nèi)進(jìn)行。相應(yīng)地，可以在加熱階段和測量階段之間交替地來回轉(zhuǎn)換。 在此，可以例如將加熱階段設(shè)計成比測量階段更長。也可想到這些階段的可變的時間長度， 例如在脈寬調(diào)制的范圍內(nèi)。因為在加熱元件和能斯特電池的并聯(lián)連接中盡管存在串聯(lián)電阻，但是在能斯特電 池上下降的電壓通常是不可忽略的，所以在不利情況下可能在加熱階段期間由于能斯特電 池的泵效應(yīng)而出現(xiàn)基準(zhǔn)氣體室中的氣體混合物成分的改變。例如，當(dāng)使用基準(zhǔn)氣體通道時， 來自第二電極周圍區(qū)域的后續(xù)流或流出可能是有限的，使得通過泵送將基準(zhǔn)氣體通道抽空 或者在第二電極區(qū)域中基準(zhǔn)氣體通道內(nèi)的氧分壓下降。該效應(yīng)可以通過以下方式避免，即 以交變的極性運行加熱元件。為此目的，該控制裝置例如可以設(shè)置用于在相繼的加熱階段 中以交變的電極性運行該加熱元件。以這種方式，即通過執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，允許制造一種傳感器元件和一種傳 感器裝置，它們在構(gòu)造上極其簡單，但同時為能斯特電位的測量提供可靠且可控的基準(zhǔn)。


本發(fā)明的實施例在附圖中示出并且在以下說明書中詳細(xì)地闡述。其示出圖1示出根據(jù)本發(fā)明的、具有一根唯一的引線和基準(zhǔn)空氣通道的傳感器裝置的實 施例。
具體實施例方式在圖1中示意性示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置110的一個實施例。該傳感器裝置 110包括傳感器元件112和控制裝置114，該傳感器元件和控制裝置通過單獨的引線116相 互連接。傳感器元件112包括在圖1中象征性表示的殼體118，該殼體可以例如與機動車的 地120連接。實際的有源傳感器元件作為陶瓷的層結(jié)構(gòu)122集成在該殼體中。關(guān)于可能的 殼體形狀118、尤其是結(jié)構(gòu)形式和其它細(xì)節(jié)可以例如參考Robert Bosch GmbH “Sensoren im Kraftfahrzeug，，，2001，第 1 版，第 112 至 115 頁。該傳感器元件112或陶瓷的層結(jié)構(gòu)122包括第一電極124、固體電解質(zhì)126和第二 電極128。第一電極124與測量氣體室130、例如內(nèi)燃機的排氣管線連接，在該測量氣體室 中應(yīng)求出氧濃度或氧分壓，而第二電極128設(shè)置在基準(zhǔn)氣體室132中。在圖1所示的實施 例中，該基準(zhǔn)氣體室132是基準(zhǔn)空氣通道134的一部分，基準(zhǔn)氣體室132通過基準(zhǔn)空氣通道 例如與從測量氣體室130分開的發(fā)動機室連接?；鶞?zhǔn)空氣通道134例如可以構(gòu)造為敞開的 通道或以透氣的、多孔的介質(zhì)(例如開孔型氧化鋁)填充的基準(zhǔn)空氣通道?；鶞?zhǔn)空氣通道 134和工作環(huán)境、尤其發(fā)動機室之間的連接在圖1中沒有示出。在圖1所示的實施例中，傳感器元件112還包括加熱元件136。該加熱元件136用 于將傳感器元件112調(diào)節(jié)到優(yōu)化的運行溫度，例如以便調(diào)節(jié)固體電解質(zhì)126的氧離子傳導(dǎo) 能力以及以便確保足夠的相對于來自廢氣的有害物質(zhì)的堅固性。這兩個電極124和128及連接這些電極的固體電解質(zhì)126 —起構(gòu)成能斯特電池 138。第一電極124直接地或通過透氣的保護(hù)層(例如在圖1中未示出的開孔型氧化鋁層) 與測量氣體室130處于連接，而第二電極128通過基準(zhǔn)空氣通道134被加載定義的氣體成 分。因此，該斯特電池138配有第一能斯特電池引線140和第二能斯特電池引線142，該第 一能斯特電池引線例如作為帶狀導(dǎo)線設(shè)置在陶瓷的層結(jié)構(gòu)122的上側(cè)面上并且與第一電 極124接觸，該第二能斯特電池引線例如設(shè)置在基準(zhǔn)空氣通道134并且與第二電極128接 觸。相應(yīng)地，例如構(gòu)造為加熱回曲部或者例如包括至少一個加熱回曲部的加熱元件 136配有第一加熱觸點144和第二加熱觸點146。這些加熱觸點144、146和能斯特電池引 線140、142例如可以作為在層結(jié)構(gòu)122中印制的導(dǎo)電軌道實現(xiàn)并且可以包括附加的、在圖 1中未示出的絕緣層。根據(jù)本發(fā)明，在圖1的傳感器元件112中，與作為基準(zhǔn)電極工作的第二電極128接 觸的第二能斯特電池引線及第二加熱觸點146與共同的地線148連接。導(dǎo)線142和146的 合并可以在層結(jié)構(gòu)122內(nèi)部實現(xiàn)或者也可以在層結(jié)構(gòu)外部、但在殼體118內(nèi)部實現(xiàn)。在層 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的合并例如通過使用相應(yīng)的通孔敷鍍實現(xiàn)。在圖1中象征性地表示在陶瓷的層結(jié) 構(gòu)122外部合并到共同的地線148。該地線148例如可以與地120連接，該地例如又可以自身與殼體118連接。串聯(lián)電阻150集成到第一能斯特電池引線140中。該串聯(lián)電阻150例如可以是陶 瓷的層結(jié)構(gòu)122的組成部分，或者也可以變換地或附加地及如圖1所示那樣在陶瓷的層結(jié) 構(gòu)122外部實現(xiàn)。歐姆電阻允許例如通過相應(yīng)的印制層產(chǎn)生，例如通過陶瓷印制層或類似 材料產(chǎn)生。也可想到將串聯(lián)電阻150分成多個例如可以串聯(lián)連接的分電阻。變換地替代串 聯(lián)電阻150，也可以如上列出的那樣例如通過選擇適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈?或通過選擇適當(dāng)?shù)?材料成分和/或通過適當(dāng)?shù)倪\行溫度足夠大地選擇能斯特電池138的電阻。第一能斯特電池引線140和第一加熱觸點144與共同的連接線152連接。導(dǎo)線 140、144與共同的連接線152的連接例如可以再次在陶瓷的層結(jié)構(gòu)122中實現(xiàn)，例如再次 通過使用相應(yīng)的通孔敷鍍。在這種情況下，串聯(lián)電阻150優(yōu)選是陶瓷的層結(jié)構(gòu)122的組成 部分。變換地，如圖1所示，與共同的連接線152的連接也可以在陶瓷的層結(jié)構(gòu)122外部實 現(xiàn)，如圖1所示。也就是說，在圖1所示的實施例中，傳感器元件112僅配有一個唯一的連接觸點， 該連接觸點象征性地以附圖標(biāo)記154畫出并且與連接線152連接。該連接觸點154又可以 與引線116連接，該引線將傳感器元件112與控制裝置114連接。在控制裝置內(nèi)部設(shè)有開關(guān)156，共同的連接線152可通過該開關(guān)可選地與電能量 源158或與測量裝置160連接。該開關(guān)156可以例如是通過電子控制裝置、例如微控制器控 制的開關(guān)。該電能量源158可以例如包括電壓源、例如具有約IlV恒電壓的電壓源，其中， 連接線152可通過開關(guān)156例如與電壓源的正極連接。如圖1所示，該測量裝置160可以例如包括電壓測量裝置，該電壓測量裝置在圖1 中象征性表示。例如，電壓可以通過測量電阻(在圖1中未示出)測量。測量裝置160可 以在它的與開關(guān)156相反的一側(cè)例如與地120連接。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的常見傳感器元件中，能斯特電池138上的能斯特電壓通常在作 為能斯特電極工作的第一電極124與作為基準(zhǔn)電極工作的第二電極128之間截取并且λ =1時的額定值例如確定為450毫伏。該基準(zhǔn)電極在此貼在氧化鋯上并且位于基準(zhǔn)空氣通 道134內(nèi)或者作為泵送的基準(zhǔn)運行。在常見的傳感器元件中，加熱元件136配有兩根分開 的接線。也就是說，傳感器元件總共必須與四個觸點或接線接觸。與之相比，圖1中的根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件112被這樣地設(shè)計，使得傳感器元件 可以僅與該唯一的引線116接觸。加熱元件136的加熱器電路僅配有一根單獨的連接電纜， 電流從能量源158的正極經(jīng)過加熱元件136流到機動車的地120。能斯特電池138及與能 斯特電池串聯(lián)的串聯(lián)電阻150與加熱元件136的加熱回曲部并聯(lián)連接。優(yōu)選地，加熱元件136的加熱回曲部盡可能高歐姆地構(gòu)造，例如具有30歐姆的加 熱電阻。因此，在例如10. 7V的電壓下允許將約3. 8瓦的加熱功率饋入加熱元件136中，通 過引線(即導(dǎo)線144、146、148和116)的低歐姆設(shè)計應(yīng)使所述加熱功率中的盡可能大的份 額在加熱元件136的回曲部上、也就是在實際的加熱電阻上下降。優(yōu)選地，能斯特電池138具有能斯特電池電阻，加熱元件136具有加熱器電阻。在 此，加熱器電阻和能斯特電池電阻被這樣地選擇，使得在運行溫度下該加熱器電阻至少近 似(即例如具有不超過20%的偏差地)為加上可選的串聯(lián)電阻150的電阻的能斯特電池電 阻的五分之一。
因為傳感器元件112僅配有該唯一的連接觸點154，并且能斯特電池138和加熱元 件138并聯(lián)連接，所以傳感器裝置110的控制應(yīng)借助控制裝置114時鐘控制地進(jìn)行。為此 目的，例如軟件控制地，可以時鐘控制地來回轉(zhuǎn)換該開關(guān)156，使得例如分別在加熱階段該 開關(guān)156處于圖1所示的位置中，而在測量階段該開關(guān)156被這樣地轉(zhuǎn)換，使得引線116與 測量裝置160連接。在此，加熱階段和測量階段可以設(shè)計成一樣長或不一樣長。可變的設(shè) 計方案也是可行的，例如僅在必要時在一個或多個較長的加熱階段之間中間插入一個或多 個測量階段。為了使加熱元件136尤其在測量階段中不發(fā)生冷卻，在時鐘電路中優(yōu)選地選擇高 的占空比，即加熱階段與測量階段之間的高比值。例如允許選擇在20%和50%之間的占空 比。此外，殼體118可以構(gòu)造為保護(hù)管，該保護(hù)管可以構(gòu)造成封閉的。在使用串聯(lián)電阻150的情況下，能斯特電池138應(yīng)具有盡可能小的直流電阻，例如 最大20歐姆。該能斯特電池138的串聯(lián)電阻150應(yīng)約為能斯特電池138的能斯特電池電 阻的六倍大，即為例如120歐姆。因此，在加熱階段、即其中加熱元件136被加載的時鐘期 間，在以上實施例中在加熱元件136的加熱回曲部上下降約11V。由于根據(jù)本發(fā)明的并聯(lián)連 接，在能斯特電池138和串聯(lián)電阻150上下降相同的電壓。在此，在運行溫度下，以提到的 電阻比在能斯特電池138上下降約1. 5V，其余電壓在串聯(lián)電阻150上下降。在該電壓下，尚 不會發(fā)生能斯特電池138、尤其固體電解質(zhì)126的氧化鋯的損壞。在達(dá)到運行溫度之前，氧 化鋯電阻和由此能斯特電池電阻仍較高，在固體電解質(zhì)126的體積上下降的電壓更多。然 而，這些電極124、128、即例如鉬電極與固體電解質(zhì)126之間的分界面在加熱階段期間不經(jīng) 受明顯更大的電壓降。但是，由過高電壓引起的損害通常出現(xiàn)這些分界面處，其方式是在那 里還原氧化鋯并且形成金屬鋯，這可能導(dǎo)致傳感器元件112或陶瓷的層結(jié)構(gòu)122的褐色化 和電分流。但是本發(fā)明不是這種情況，因為主要的電壓降在固體電解質(zhì)126的內(nèi)部體積中。在兩個相繼的加熱階段之間，優(yōu)選沒有外部電壓被施加在加熱元件136的回曲部 和能斯特電池138上。在該時間間隔中，可以求出能斯特電壓和由此求出廢氣成分。如果 在測量氣體室130中存在富的廢氣，則能斯特電池138產(chǎn)生約800毫伏的電壓。該電壓導(dǎo) 致經(jīng)過串聯(lián)電阻150和加熱回曲部的電流，該電流為I = 0. 8伏/(30歐姆+20歐姆+120 歐姆)=4. 7毫安。該數(shù)值的電流可以毫無問題地由能斯特電池138提供。為了避免基準(zhǔn)空氣通道134的“泵空”或避免基準(zhǔn)空氣通道134中的氣氛的成分 的可測量的變化，該基準(zhǔn)空氣通道134應(yīng)當(dāng)設(shè)計有高的儲存體積和/或高的極限流。替代 地或附加地，在另一種實施方式中，該加熱元件136可以通過電能量源158的適當(dāng)設(shè)計和/ 或通過控制裝置114中的附加的極性轉(zhuǎn)換開關(guān)這樣地運行，使得該加熱元件136被加載交 變極性。以這種方式也能夠避免基準(zhǔn)空氣通道134的排空。優(yōu)選地，在以交變極性這樣地 加載時，正極性更久地施加在加熱元件136上，以稍微地“泵滿”基準(zhǔn)氣體室132，即以升高 的氧分壓加載。在圖1所示的實施方式中，第一加熱觸點144優(yōu)選與電能量源158的正極 連接，從而基準(zhǔn)空氣通道134被填充，因為否則流過的電流I = (1. 5V)/20歐姆=80毫安 能夠激發(fā)作為基準(zhǔn)電極工作的第二電極128的偏移(Continuous Shift Down, CSD)。在上述4. 5毫安電流下，在加熱元件136的回曲部上的電壓降為U = 4. 7毫安·30 歐姆=141毫伏。該電壓降可以借助測量裝置160在第一加熱觸點144與地120之間檢測。 如果存在貧的廢氣成分，則在這里測得約U = 0毫伏的電壓。
可能施加在機動車的地120上的干擾電壓通常達(dá)到約50毫伏。視具體應(yīng)用而定， 該值必須被保護(hù)。如果干擾電壓的值落在待通過測量裝置160測量的電壓范圍內(nèi)，則上述 的電阻值、尤其是串聯(lián)電阻150的值必須另外地確定大小。在上述的沒有串聯(lián)電阻150的變換方法中，能斯特電池138的內(nèi)部電阻例如為140 歐姆。則得到與在上述的具有串聯(lián)電阻150的實施例中至少近似相同的電壓。在圖1所示的實施例中，傳感器元件112構(gòu)造為具有基準(zhǔn)空氣通道134的傳感器 元件。如上所述，但是變換地或附加地也可以使用泵送的基準(zhǔn)。在這種泵送的基準(zhǔn)中，能斯 特電池138的極性可以這樣地實施，使得在加熱階段(其中可以將例如1.5伏施加在能斯 特電池138上)期間，基準(zhǔn)氣體室132以氧泵滿。這意味著，用于填充基準(zhǔn)氣體室132的第 一電極124或附加的泵電極應(yīng)作為陽極運行，即應(yīng)當(dāng)與泵電壓源的負(fù)極連接。
權(quán)利要求
1.用于確定測量氣體室(130)中氣體的至少一個物理特性、尤其用于確定內(nèi)燃機廢氣 中的氧濃度的傳感器元件(112)，其中，該傳感器元件(112)具有至少兩個電極(124，128) 和至少一個連接這些電極(124，128)的固體電解質(zhì)(126)，該傳感器元件(112)還具有至少 一個具有至少兩個加熱觸點(144，146)的加熱元件(136)，這些加熱觸點(144，146)中的至 少一個第一加熱觸點(144)和這些電極(124，128)中的第一電極(124)可通過一共同的連 接線(152)接觸，這些加熱觸點(144，146)中的至少一個第二加熱觸點(146)和這些電極 (124，128)中的第二電極(128)與一共同的地線(148)連接。
2.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器元件(112)，其中，所述第一電極(124)與所述測量氣 體室(130)處于連接，所述第二電極(128)與從所述測量氣體室(130)分開的基準(zhǔn)氣體室 (132)處于連接。
3.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器元件(112)，其中，所述基準(zhǔn)氣體室(132)具有以下基 準(zhǔn)氣體室中的至少一個與工作環(huán)境連接的基準(zhǔn)氣體通道(134)；封閉的基準(zhǔn)氣體室。
4.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器元件(112)，其中，所述基準(zhǔn)氣體室(132)包括封閉的 基準(zhǔn)氣體室，所述傳感器元件(112)包括至少一個另外的泵電極(124)，所述另外的泵電極 被設(shè)置用于使所述基準(zhǔn)氣體室作為泵送的基準(zhǔn)氣體室運行。
5.根據(jù)以上項權(quán)利要求之一的傳感器元件(112)，其中，在所述第一電極(124)與所述 共同的連接線(152)之間設(shè)有至少一個串聯(lián)電阻(150)。
6.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器元件(112)，其中，所述第一電極(124)、所述固體電 解質(zhì)(126)和所述第二電極(128)構(gòu)成一能斯特電池(138)，該能斯特電池(138)具有能 斯特電池電阻，所述串聯(lián)電阻(150)被這樣地選擇，使得所述串聯(lián)電阻在所述傳感器元件 (112)的運行中具有所述能斯特電池電阻的2至10倍數(shù)值、優(yōu)選6倍數(shù)值。
7.根據(jù)以上項權(quán)利要求之一的傳感器元件(112)，其中，所述第一電極(124)、所述固 體電解質(zhì)(126)和所述第二電極(128)構(gòu)成一能斯特電池(138)，該能斯特電池(138)具有 能斯特電池電阻，所述加熱元件(136)的電阻在運行溫度下至少近似為可選地加上所述串 聯(lián)電阻(150)的電阻的所述能斯特電池電阻的五分之一。
8.用于確定測量氣體室(130)中氣體的至少一個物理特性、尤其用于確定內(nèi)燃機廢氣 中的氧濃度的傳感器裝置(110)，該傳感器裝置包括至少一個根據(jù)以上權(quán)利要求之一的傳 感器元件(112)，還包括至少一個控制裝置(114)，其中，所述控制裝置(114)被設(shè)置用于使 所述連接線(152)可選地與電能量源(158)、優(yōu)選該電能量源(158)的電正極，或者與測量 裝置(160)、尤其電壓測量裝置和/或電流測量裝置連接。
9.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器裝置(110)，其中，所述控制裝置(114)被設(shè)置用于這 樣地運行所述傳感器元件(112)，使得所述地線(148)與電的地(120)連接，優(yōu)選與機動車 的地(120)連接。
10.根據(jù)前兩項權(quán)利要求之一的傳感器裝置(110)，其中，所述控制裝置(114)被設(shè)置 用于在至少一個加熱階段中使所述連接線(152)與所述電能量源(158)連接，所述控制裝 置(114)還被設(shè)置用于在至少一個測量階段中使所述連接線(152)與所述測量裝置(160) 連接，所述控制裝置(114)還被設(shè)置用于由所述測量裝置(160)的至少一個信號推導(dǎo)出氣體的物理特性，尤其推導(dǎo)出氧濃度和/或氧分壓。
11.根據(jù)前一項權(quán)利要求的傳感器裝置(110)，其中，所述控制裝置(114)被設(shè)置用于 實施時鐘控制的測量，其中，加熱階段和測量階段交替地實施。
12.根據(jù)前兩項權(quán)利要求之一的傳感器裝置(110)，其中，所述加熱階段比所述測量階 段更長。
13.根據(jù)前兩項權(quán)利要求之一的傳感器裝置(110)，其中，所述控制裝置(114)被設(shè)置 用于在相繼的加熱階段中以交變的電極性運行所述加熱元件(136)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定測量氣體室(130)中氣體的至少一個物理特性、尤其用于確定內(nèi)燃機廢氣中的氧濃度的傳感器元件(112)。該傳感器元件(112)具有至少兩個電極(124，128)和至少一個連接這些電極(124，128)的固體電解質(zhì)(126)。該傳感器元件(112)還具有至少一個具有至少兩個加熱觸點(144，146)的加熱元件(136)，其中，這些加熱觸點(144，146)中的至少一個第一加熱觸點(144)和這些電極(124，128)中的第一電極(124)可通過一共同的連接線(152)接觸，這些加熱觸點(144，146)中的至少一個第二加熱觸點(146)和這些電極(124，128)中的第二電極(128)與一共同的地線(148)連接。
文檔編號G01N27/406GK102007399SQ200980113316
公開日2011年4月6日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者L·迪爾, T·塞勒 申請人:羅伯特·博世有限公司