專利名稱：具有溫度感測器的傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及已知的陶瓷傳感器元件、尤其基于特定固體的電解特性的、也即基于該固體傳導確定離子能力的傳感器元件。這種傳感器元件尤其被應(yīng)用在汽車中。在汽車中陶瓷傳感器元件的一個重要例子是用于確定空氣-燃料混合物組分的傳感器元件，其也被稱作“拉姆達探測器”，并且不僅在快燃發(fā)動機、而且在柴油技術(shù)中在降低尾氣有害物上具有重要意義。但本發(fā)明也可應(yīng)用于其他方式的陶瓷傳感器元件，比如尤其在尾氣傳感器中具有固體電解質(zhì)的微粒傳感器或類似方式的傳感器。在不限制保護范圍的情況下，本發(fā)明下面以拉姆達探測器的例子來進行解釋，但其中依照上述的實施也可以制造其他方式的傳感器元件。拉姆達探測器根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知有眾多不同的實施方案。拉姆達探測器的不同實施例在 Robert Bosch GmbH 的 “Sensoren im Kraftfahrzeug” 第二版，2007 年四月， 154-159頁中有描述，其在本發(fā)明的范疇內(nèi)也可以根據(jù)本發(fā)明進行變化
背景技術(shù)：
在已知的傳感器元件中技術(shù)上的挑戰(zhàn)在于，固體電解質(zhì)材料傳導確定離子的能力與固體電解質(zhì)材料的溫度密切相關(guān)。許多傳感器元件從而包含有至少一個加熱單元，借助該加熱單元可以把該固體電解質(zhì)的溫度有目的地調(diào)節(jié)到確定值。為了調(diào)節(jié)溫度比如可以在雙單元和單單元實施中的寬帶探測器中采用能斯脫單元的內(nèi)阻。這比如在DE 101 01 351 Al中有描述。但這種傳感器裝置的缺點是，一方面其需要相對費事的控制裝置。另一方面在這種傳感器裝置中所采用的傳感器元件在制造中是相對費事的，因為一方面該加熱單元的制造需要相當大的額外技術(shù)耗費，并且這樣該加熱單元和該傳感器元件的其他部分的接線需要在傳感器元件上具有多個(通常4至5個)聯(lián)接觸點。但是，尤其對于造價合理的應(yīng)用，比如在兩輪車輛領(lǐng)域中，期望利用相對簡單傳感器元件來構(gòu)造的、但仍舊能夠為發(fā)動機控制可靠檢測測量值的傳感器裝置。

發(fā)明內(nèi)容
從而本發(fā)明推薦了一種傳感器裝置以及適合應(yīng)用在這種傳感器裝置中的傳感器元件。該傳感器裝置用于檢測在測量氣體室中氣體的至少一個特性，尤其物理和/或化學特性。所述至少一個特性尤其是在氣體中氣體組分、比如氧氣的份額。該份額比如可以通過一個百分比或分壓來表示。與此相應(yīng)，該傳感器裝置尤其可以構(gòu)造用于檢測在內(nèi)燃機尾氣中的氧氣份額。本發(fā)明下面主要參照作為拉姆達探測器的這種構(gòu)造來闡述，但其中原則上其他的構(gòu)造也是可以的，比如用于測量其他氣體組分的構(gòu)造、作為微粒傳感器或類似傳感器的構(gòu)造。本發(fā)明的基本想法是，如果該傳感器裝置能夠組合地測量能斯脫信號和溫度測量，那么就能夠大大簡化傳感器元件的電子接線和/或構(gòu)造。具有組合測量功能的這種傳感器裝置尤其能夠非常良好地滿足兩輪車應(yīng)用的要求。能夠優(yōu)選地完全省略使用加熱單元，使得比如氣體、比如熱尾氣的溫度本身能夠被利用，以把該傳感器元件帶到所需的運行溫度。該傳感器裝置包含有至少兩個部件，也即至少一個控制裝置和至少一個傳感器元件。該控制裝置在此可以完全或部分地集成在該傳感器元件中，但是也可以完全或部分地作為外部控制裝置來構(gòu)造，并用于控制和分析所述至少一個傳感器元件。該控制裝置也可以完全或部分地與系統(tǒng)的其他部件相集成，比如汽車的發(fā)動機控制裝置。該傳感器元件包含有至少一個能斯脫單元，該能斯脫單元具有至少一個能夠直接或間接施加來自該測量氣體室氣體的第一電極。比如該第一電極可以直接暴露于該測量氣體室，和/或通過多孔的、透氣的保護層與該測量氣體室分離地來構(gòu)造。該第一電極尤其可以作為外部電極(APE)來構(gòu)造，其設(shè)置在該傳感器元件的朝向該測量氣體室的表面上。另外該能斯脫單元還包含有至少一個設(shè)置在參照氣體室中的第二電極。該參照氣體室應(yīng)該與該測量氣體室至少很大程度地相分離，使得優(yōu)選地進行完全的、不透氣的分離。但代替地或者附加地也可以如此來進行分離，使得在參照氣體室和測量氣體室之間僅在如下時間標度上才能夠進行氣體交換該時間標度所包含的時間明顯長于與傳感器元件運行有關(guān)的其他時間，比如固體電解質(zhì)對離子的傳輸。該參照氣體室與此相應(yīng)地作為具有所定義氣體的空間來構(gòu)造，這可以以不同的方式來實現(xiàn)。從而在該參照氣體室中的氣氛比如可以有針對地通過一個或多個泵單元來調(diào)節(jié)(泵送參照)。但代替地或者附加地該參照氣體室也可以與至少一個環(huán)境室相連，比如汽車的發(fā)動機室。與此相應(yīng)，該參照氣體室比如可以完全或部分地作為參照空氣通道來構(gòu)造，和/或與這種參照空氣通道相連。不同的擴展方案也是可以的。 另外該能斯脫單元還包含有至少一個連接該第一電極和第二電極的固體電解質(zhì)。該固體電解質(zhì)比如可以包含有釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。但代替地或者附加地原則上其他的固體電解質(zhì)材料也是可以的，比如鈧穩(wěn)定氧化鋯(ScSZ)。其他的材料原則上也是可以的。該能斯脫單元提供至少一個信號，由該信號可以推斷該氣體的特性。比如在此可以是在該測量氣體室中的氧氣分壓，使得該能斯脫單元比如可以作為簡單的階躍探測器(Sprimgsonde)來構(gòu)造。另外該傳感器裝置還包含有至少一個溫度感測器，以檢測在該測量氣體室中氣體的至少一個溫度。如下文還要更詳細闡述的，該溫度感測器比如可以完全或部分地集成在該傳感器元件中，和/或完全或部分地作為外部的、與該傳感器元件和/或該能斯脫單元相分離構(gòu)造的溫度感測器來構(gòu)造。不同的擴展方案在下文中更詳細解釋。所述至少一個溫度感測器在此原則上可以參考已知的用于檢測溫度的測量原理。比如該溫度感測器可以包含有至少一個溫度電阻(熱敏電阻)，也即其電特性比如其特定的電阻與溫度相關(guān)的電阻。已知有不同種類的熱敏電阻。比如可以采用具有負溫度系數(shù)的電阻(NTC電阻)和/或具有正溫度系數(shù)的電阻(PTC電阻)。眾多這種溫度感測器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并原則上也可以在本發(fā)明的范疇內(nèi)被采用。這種熱敏電阻特征在于高的精確度、高的魯棒性和高的溫度測量范圍。該傳感器裝置設(shè)置用于檢測能斯脫單元的信號，也即原則上能夠從中推斷該氣體的至少一個特性的信號。該傳感器裝置設(shè)置用于在考慮由該溫度感測器所確定的測量氣體室中氣體溫度的情況下來分析該信號。所述的分析的概念在此可以廣泛地來領(lǐng)會。從而該分析比如可以包含對能斯脫單元信號的簡單提供，比如提供到發(fā)動機控制裝置。如下文中還要詳細解釋的，比如可以由控制裝置來僅僅選擇該能斯脫單元的、所測量的溫度高于一個閾值溫度的那些信號。但是代替地或者附加地該分析也可以包含有完全或部分的信號處理，比如過濾、其它完全或部分的信號處理、其他測量量的導出(比如換算為拉姆達值和/或要測量的氣體特性的另外的
量化)等等。從而不僅優(yōu)選地能夠有效調(diào)節(jié)和/或控制該傳感器元件的溫度，而且在許多情況下在傳感器元件的環(huán)境中總歸出現(xiàn)的高溫也能夠被用于調(diào)節(jié)比如為至少400° C、尤其至少500° C的所需運行溫度。只要沒有達到所需的運行溫度，那么該傳感器裝置就例如可以設(shè)置用于完全丟棄能斯脫單元的信號。代替地或者附加地，通常也可以利用一個解析的、經(jīng)驗的或半經(jīng)驗的校正函數(shù)比如恒定函數(shù)和/或階躍函數(shù)來進行能斯脫單元的信號的校正。尤其針對兩輪車應(yīng)用，但也可以針對其他的需要造價合理的傳感器裝置的應(yīng)用， 這比如可能意味著在啟動時還不提供拉姆達探測器信號。稍后當達到運行溫度時才可以檢測并分析拉姆達探測器信號，其中通過根據(jù)本發(fā)明設(shè)置至少一個溫度感測器就能夠識別何時達到合適運行條件的時間點。與此相應(yīng)，該傳感器元件可以優(yōu)選完全在沒有有效加熱單元的情況下來構(gòu)造。該能斯脫單元信號的分析在此可以如上所述以不同的方式來進行，比如在采用一個或多個校正函數(shù)的情況下來進行。代替地或者附加地，這也可以理解為校正函數(shù)的概念， 但也可以采用閾值方法。在該閾值方法中比如可以預先給定至少一個閾值溫度，該閾值溫度比如可以存儲在該控制裝置的數(shù)據(jù)存儲器中。在該閾值方法中，如果由所述至少一個溫度感測器所檢測的氣體的溫度高于至少一個閾值溫度，那么才可以比如分析該能斯脫單元的信號。如上所述，但是較復雜的閾值方法也是可以的。從而比如可以通過相應(yīng)的閾值溫度來預先給定多個溫度范圍，其中在該溫度范圍內(nèi)進行不同的分析，比如在當前的范圍中考慮固體電解質(zhì)的相應(yīng)離子電導率。該溫度感測器和能斯脫單元可以至少部分一致地來構(gòu)造。從而比如該能斯脫單元本身可以作為熱敏電阻而被利用。該控制裝置那么就可以設(shè)置用于在時間上分離地實施溫度的檢測和能斯脫單元的信號的檢測。從而通過檢測在該能斯脫單元上的電壓(能斯脫電壓)，來檢測能斯脫單元的信號。該溫度比如可以如此來檢測，即通過該能斯脫單元傳導一個電流，其中可以確定該能斯脫單元的電阻，其中由該能斯脫單元的電阻就可以推斷在測量氣體室中氣體的溫度。其他的擴展方案也是可以的。可以以不同的方式來進行在時間上分離的檢測。從而比如可以采用一種時間測量方案，其中以預先給定的間隔來檢測溫度，相反在剩余的時間和/或在其他間隔中至少暫時地檢測該能斯脫單元的信號。比如可以采用一個時間測量序列，其中用于檢測能斯脫單元信號的測量階段和溫度測量階段以預先給定的時間間隔來交替。但可替換地，如果記錄溫度的下降，那么也可以把測量方案與需求相匹配，比如通過對溫度頻繁地實施測量。不同的擴展方案也是可以的。代替其中溫度感測器和能斯脫單元至少部分一致的擴展方案，該溫度感測器和能斯脫單元也可以至少部分分離地來構(gòu)造。那么該控制裝置可以設(shè)置用于分離地檢測氣體的溫度和能斯脫單元的信號。這種分離的檢測可以以不同的方式來進行。如果在此采用僅需要兩個聯(lián)接觸點的接線，那么這通常是尤其優(yōu)選的。這也是該裝置的一個特別優(yōu)點，其中該溫度感測器和該能斯脫單元至少部分地是一致的，因為在該情況下提供一個共同的接觸部。
但是在能斯脫單元和溫度感測器至少部分分離構(gòu)造的情況下，也可以優(yōu)選地組合聯(lián)接觸點，使得通常優(yōu)選地該傳感器元件作為具有僅兩個聯(lián)接觸點的傳感器元件來構(gòu)造。 比如這可以如此來進行，即該能斯脫單元設(shè)置在該傳感器裝置的電路的至少一個第一支路中，并且該溫度感測器設(shè)置在該電路的至少一個第二支路中。該第一支路和第二支路那么就可以優(yōu)選地并聯(lián)連接，使得兩個支路可以通過兩個共同的聯(lián)接觸點來接觸。在這種并聯(lián)連接的情況下，能斯脫單元的信號和溫度感測器的信號的分離可以以不同的、對于專業(yè)人員原則上已知的方式來進行。比如可以進行頻率選擇分析。比如這可以通過如下方式來進行即溫度測量在高于100Hz、尤其高于IkHz的頻率處來進行，相反，能斯脫單元的信號的檢測僅在低于100Hz、比如僅在至IOHz的頻率處來進行。由此可以分離不同的信息。比如可以如此來促進這種分離，即附加地在該第二支路中、也即在其中設(shè)置有溫度感測器的支路中接入至少一個容性元件。比如所述至少一個容性元件可以與該溫度感測器比如該熱敏電阻串聯(lián)連接。比如該容性元件可以包含有至少一個電容器，比如印刷電容器。利用在第二支路中具有至少一個容性元件的這種構(gòu)造，該第二支路在低的頻率下阻塞， 使得在低的頻率下的信號可以很大程度地明確地分配給該第一支路、也即包含有能斯脫單元的支路。明顯有利的是，該能斯脫單元的參照由于該電容器而沒有或者以明顯較微小的程度來排空。較高頻信號可以與此相應(yīng)地很大程度地明確地分配給該第二支路，也即作為溫度信號來識別。為了進一步促進該分離，在該第一支路中附加地還可以接入至少一個感性元件。該感性元件比如可以包含有線圈。該感性元件尤其可以與該能斯脫單元相串聯(lián)連接。從而該能斯脫單元的并聯(lián)電阻并不嚴重影響該溫度感測器比如該熱敏電阻的電阻的測量精確性，使得該熱敏電阻的電阻的完全精確性可以被利用。該溫度感測器原則上可以比如以上述一種或多種方式完全或部分地集成在該傳感器元件本身中。但代替地或者附加地原則上也可以把該溫度感測器完全或部分地與該傳感器元件相分離來構(gòu)造。從而該溫度感測器比如可以具有單獨的、比如商業(yè)上可用的部件來作為可分離的單元，其中該單元與該傳感器元件相連接，比如連接到該傳感器元件。這比如可以通過傳導電纜的夾緊或焊接來進行或者通過材料連接進行。不同的擴展方案也是可以的。如上所述，除了該傳感器裝置之外，還推薦了一種傳感器元件，該傳感器元件設(shè)置用于應(yīng)用于根據(jù)一個或多個前述實施方案的本發(fā)明的傳感器裝置中。上述的傳感器裝置可以與此相應(yīng)的通過采用一個或多個下述的傳感器元件在一個或多個所述實施變化方案中來改進。但代替地或者附加地原則上也可以采用其他類型的傳感器元件，比如如上所述采用沒有自己的溫度感測器的傳感器元件，其中該傳感器裝置附加地包含有這種外部的溫度感測器。該傳感器元件優(yōu)選地作為雙觸點傳感器元件來構(gòu)造，從而優(yōu)選地僅具有兩個聯(lián)接觸點。但原則上具有更大數(shù)量聯(lián)接觸點的傳感器元件也是可以的。在所推薦的傳感器元件中，該溫度感測器優(yōu)選地至少部分地作為熱敏電阻來構(gòu)造。這意味著，該溫度感測器包含有至少一個熱敏電阻。此外該溫度感測器在必要時也可以包含有其他類型的溫度感測器。該溫度感測器、尤其該熱敏電阻包含有至少一個與該第二電極電連接的內(nèi)電極，也即同樣設(shè)置在該參照氣體室中的電極。所述至少一個內(nèi)電極可以與該第二電極分離地來構(gòu)造，并僅僅與該第二電極電連接。但優(yōu)選地該內(nèi)電極與該第二電極至少部分地相一致。比如可以為該內(nèi)電極和第二電極使用同一個電極。另外該溫度感測器還包含有至少一個與該第一電極至少部分不同的外電極。該外電極比如可以再次設(shè)置在該傳感器元件的層結(jié)構(gòu)的朝向該測量氣體室的表面上，并且可以與該測量氣體室相連接，或者與之分離地來構(gòu)造。但如果該外電極直接或間接比如通過多孔保護層而暴露于測量氣體室中的氣體中，那么這是優(yōu)選的。 在此，該內(nèi)電極和外電極優(yōu)選地通過與該固體電解質(zhì)至少部分不同的至少一種電阻材料相連接。該電阻材料比如可以是具有負溫度系數(shù)的電阻材料，或者包含有這種材料。 在此采用了不同的電阻材料。尤其可以采用金屬氧化物材料，其已知具有負溫度系數(shù)的電阻。比如使用鐿鋱X混合氧化物，其中X比如可以包含釤和/或釓。這種電阻材料比如在 EP 0 810 611 Al中被公開。在本發(fā)明的范疇內(nèi)也可以參考其中所述的電阻材料。如果與固體電解質(zhì)相分離構(gòu)造的電阻材料被用于該熱敏電阻，那么就存在不同的可能來把該電阻材料加入到該傳感器元件中。該電阻材料尤其可以嵌入到載體材料比如載體層中。這比如可以如此來進行，即該載體材料比如該載體層具有相應(yīng)的開口，在該開口中加入該電阻材料。所述加入比如可以如此來進行，即把預先制造的電阻材料層區(qū)段引入到該載體材料的開口中。但代替地或者附加地也可以采用粘貼技術(shù)，比如印刷技術(shù)、刮板技術(shù)等等，其中該電阻材料被加入到該載體材料層的開口中。該載體材料比如可以就是固體電解質(zhì)本身。從而比如可以在固體電解質(zhì)薄膜中沖壓和/或切割入相應(yīng)的開口，其中該開口應(yīng)該容納該電阻材料。該固體電解質(zhì)和該電阻材料可以分離地被優(yōu)化。但代替地或者附加地該載體材料也可以包含有與該固體電解質(zhì)不同的另一材料。比如該載體材料可以是一種絕緣材料，比如Al2O3和/或其他類型的絕緣材料。在這種情況下，該固體電解質(zhì)比如可以同樣完全或部分地嵌入到該載體材料中，比如又通過一種或多種上述的嵌入技術(shù)。該傳感器元件優(yōu)選地作為雙觸點傳感器元件來構(gòu)造。與此相應(yīng)，如果該能斯脫單元和該熱敏電阻電并聯(lián)連接，那么在本發(fā)明的范疇內(nèi)這是尤其優(yōu)選的。這種并聯(lián)連接優(yōu)選地直接在該傳感器元件上來進行，因為這樣就可以節(jié)省聯(lián)接觸點。這比如可以如此來實現(xiàn)， 即該傳感器元件包含有一個第一聯(lián)接觸點，該聯(lián)接觸點與該第一電極和外電極相電連接， 并且另外還具有一個第二聯(lián)接觸點，該聯(lián)接觸點與該第二電極和內(nèi)電極相電連接。在此可以把上述的電路劃分為兩個支路，其中在第一支路中設(shè)置有能斯脫單元，在該第二支路中設(shè)置有該溫度感測器或熱敏電阻。上述的與該溫度感測器、尤其該熱敏電阻串聯(lián)連接的可選容性元件和/或所述至少一個可選的與該能斯脫單元串聯(lián)連接的感性元件也可以完全或部分地直接集成在該傳感器元件中。從而該傳感器元件可以包含有這種與該熱敏電阻串聯(lián)連接的容性元件和/或與該能斯脫單元串聯(lián)連接的感性元件。該容性元件和/或該感性元件在此比如可以完全或部分地作為印刷元件來構(gòu)造，比如作為印刷電容器和/或印刷線圈來構(gòu)造。因為印刷線圈通常具有非常小的電感，所以這種印刷線圈尤其可以用于用高的測量頻率來測量，尤其用于測量溫度信號。代替地或者附加地該容性元件和/或該感性元件也可以借助分立部件來構(gòu)造?？傊@樣就可以如上所述來容易地實現(xiàn)在能斯脫單元信號和溫度信號之間頻率選擇性的分離。所推薦的傳感器裝置和所推薦的傳感器元件相對于已知的傳感器裝置和已知的傳感器元件而具有一系列的優(yōu)點。從而該傳感器元件可以用微小的結(jié)構(gòu)空間來實現(xiàn)，尤其在把溫度感測器集成在該傳感器元件中的情況下。與兩個分離的尾氣傳感器相比，這樣可以實現(xiàn)緊湊和造價合理的傳感器元件。這尤其在兩輪車應(yīng)用中可能是決定性的優(yōu)點，其中這種傳感器元件比如必須安裝在小發(fā)動機的彎管和/或缸蓋中。因為優(yōu)選完全地省略了在該傳感器元件中的加熱單元，比如以不加熱的拉姆達探測器的形式，所以該傳感器元件和該傳感器裝置特征是小的能量需求。這種小的能量需求、比如以小電流消耗的形式尤其在具有有限供能容量的應(yīng)用中、比如在有限電池容量的應(yīng)用中又具有決定性的意義。因此該傳感器裝置和該傳感器元件特征還尤其在于在兩輪車應(yīng)用中的應(yīng)用。另一優(yōu)點在于，借助前面所推薦的概念尤其可以實現(xiàn)雙極傳感器元件，也即僅具有兩個聯(lián)接觸點的傳感器元件。從而實現(xiàn)了更簡單的布線，并且在組件構(gòu)造以及控制設(shè)備中都可以獲得造價優(yōu)點。其他的優(yōu)點是，聯(lián)接觸點通常應(yīng)該在技術(shù)上非常費事地被制造。尤其在層構(gòu)建時必須通過穿通接觸部來電連接深處的層。但這種穿通接觸部可能為錯誤源， 并且在傳感器元件制造時可能使廢品增加。就此而言，通過所推薦的傳感器元件的概念可以簡化制造方法，并且可以制造造價更合理并且更魯棒的傳感器元件。所推薦的傳感器元件和傳感器裝置的另一優(yōu)點是，借助同一個傳感器元件可以檢測兩個對于發(fā)動機控制有關(guān)的測量量，也即溫度和能斯脫單元的信號(比如拉姆達值)。通過這種集成從而同樣可以實現(xiàn)造價優(yōu)點。另一方面這樣檢測的能斯脫單元的信號、比如拉姆達信號可以以簡單并仍舊可靠的方式來分析。從而比如可以簡單地評估所測量的拉姆達信號的有效性，其方式是，比如僅高于確定閾值溫度測量值才被識別為可靠地可分析的。與常規(guī)的傳感器元件和傳感器裝置相比而變化的并在必要時提高的對分析的要求比如可以通過對控制裝置的相應(yīng)擴展、比如對控制設(shè)備的程序技術(shù)上的擴展而容易地被實現(xiàn)。從而比如可以容易地實現(xiàn)信號處理的上述間隔運行，其中在間隔運行時在溫度測量和能斯脫測量(比如拉姆達測量)之間進行變換。還能夠簡單而造價合理地比如通過特性曲線和/或特性曲線族來實現(xiàn)在調(diào)節(jié)和控制之間的變換，而不需要額外的傳感器來進行溫度檢測。


在附圖中示出了本發(fā)明的實施例，并在下文說明中來更詳細解釋。其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器裝置的一個第一實施例； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器裝置的一個第二實施例，其具有根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的一個第一實施例；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器裝置的一個第三實施例，其具有根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的一個第二實施例；
圖4示出了在圖1至3和圖6中的傳感器裝置的等效電路圖； 圖5示出了在圖2和3中傳感器元件的一種可能的擴展方案的表面的俯視圖；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器裝置的一個第四實施例。
具體實施例方式在下文中，在不限制其他可能的擴展方案的情況下，本發(fā)明參照拉姆達探測器來進行闡述，其中借助該拉姆達探測器應(yīng)該確定在測量氣體室110中的氧氣份額。根據(jù)本發(fā)明，在此推薦了傳感器裝置112，其包含有至少一個控制裝置114和至少一個傳感器元件 116，其通過在圖中僅象征示出的接口 118相互連接。該控制裝置114在此在圖1、2、3和6 中僅象征地示出。該控制裝置114比如可以包含有一個或多個電壓測量裝置以檢測能斯脫電壓、和/或一個或多個電流源、和/或電壓測量裝置以檢測熱敏電阻的電阻、和/或其他的測量裝置、和/或電流源和/或電壓源。這種控制裝置114的電子構(gòu)造是專業(yè)人員原則上已知的，或者可以借助以下的說明而對于專業(yè)人員是易懂的。另外該控制裝置114還包含有相應(yīng)的分析裝置，該分析裝置如下所示可以進行信號分析。為此目的，該控制裝置114 比如可以包含有一個或多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備和/或數(shù)據(jù)存儲器，其中該數(shù)據(jù)處理設(shè)備比如可以在編程技術(shù)上來設(shè)置，以進行所述的分析。該數(shù)據(jù)處理設(shè)備和/或該數(shù)據(jù)存儲器比如可以完全或部分地是發(fā)動機控制設(shè)備的組成部分。該傳感器裝置112在此可以參考原則上已知的傳感器元件，并根據(jù)本發(fā)明來使用它們。比如傳感器元件116可以在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖1和圖6的實施例中來構(gòu)造。但代替地或者附加地也可以在傳感器裝置112的范疇內(nèi)來采用根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件116，也即傳感器元件116，它們尤其進行變化并尤其適合于實施本發(fā)明的想法。根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件116的這種實施例在圖2、3和5中示出。在所示實施例中的傳感器元件116包含有能斯脫單元120。該能斯脫單元120包含有直接或通過一個(在圖中未示出)透氣的保護層而暴露于測量氣體室110中的第一電極 122，該電極在所示的實施例中被表示為AE (外電極)。另外該能斯脫單元120還包含有第二電極124。該第二電極124在所示的實施例中設(shè)置在與該測量氣體室110相分離地、設(shè)置在傳感器元件116內(nèi)部的參照氣體室126中。該參照氣體室126比如作為空氣參照來構(gòu)造，比如作為與汽車的發(fā)動機室或者其它外室相連接的參照通道。另外，能斯脫單元120還包含有連接該第一電極122和第二電極124的固體電解質(zhì)128。該固體電解質(zhì)128比如如上所述可以包含有YSZ和/或ScSZ和/或摻雜其他金屬氧化物的&02。但其他的材料和/或材料組合原則上也是可以的。因為通常固體電解質(zhì)128的電解的電導率隨著溫度上升而增大，所以該固體電解質(zhì)128以一定方式體現(xiàn)為具有電阻負溫度系數(shù)的材料(NTC材料)。該固體電解質(zhì)128與此相應(yīng)地在附圖中用NTC1來表示。該第一電極122和第二電極124在所示的實施例中通過聯(lián)接導線130、132并通過在傳感器元件116上所設(shè)置的聯(lián)接觸點134、136與該接口 118相連。另外該傳感器裝置112還包含有至少一個溫度感測器138。該溫度感測器138在此在所有的例子中示例地作為熱敏電阻140來構(gòu)造，也即作為其電阻值與測量氣體室110 的氣體溫度相關(guān)的電阻。如在圖1至6所示，該傳感器裝置112和該傳感器元件116的實施例在此在該溫度感測器138的配置和構(gòu)造方面是不同的。在此，圖1至3和6示出了四個不同的傳感器裝置112的實施例，其分別具有溫度感測器138的不同構(gòu)造和配置。在所有情況下都采用熱敏電阻140，其包含有電阻材料142，該材料比如具有負的溫度系數(shù)(NTC)。 與固體電解質(zhì)128不同，該電阻材料142在附圖中用NTC2來表示。該傳感器裝置112的這四個實施例在下文中進行簡述。在圖1中示出了傳感器裝置112的一個第一實施例，其中該固體電解質(zhì)128比如可以包含有釔穩(wěn)定氧化鋯。在此，如同在其他實施例中一樣，電極122、124比如可以作為金屬陶瓷電極來構(gòu)造，比如作為鉬金屬陶瓷電極。能斯脫單元120包含有第一電極122(外電極，AE)、固體電解質(zhì)128和第二電極124 (內(nèi)電極，IE)，該能斯脫單元120同時也被用作溫度感測器138，并從而構(gòu)成了與溫度有關(guān)的電阻元件(熱敏電阻140)，該電阻元件被用作阻性溫度感測器。該控制裝置114比如可以設(shè)置用于在間隔中交替地檢測在能斯脫單元120 上的能斯脫電壓(直流電壓)以及，對此交替地檢測在測量氣體室110中的溫度，該溫度通過該熱敏電阻140的電阻來體現(xiàn)。該控制裝置114比如可以如上所述來如此設(shè)置，使得僅評估該能斯脫單元120的高于預先給定閾值溫度的拉姆達信號。其他的分析方法在考慮測量氣體室110中溫度的情況下也是可以的。在圖1的實施例中，從而該固體電解質(zhì)128的材料同時被用作熱敏電阻140的電阻材料142。由此能夠?qū)崿F(xiàn)該傳感器元件116的非常簡單的構(gòu)造。通過溫度測量和能斯脫電壓測量的時間序列，可以避免測量的互相干擾。但圖1的傳感器裝置112的缺點是，在這種情況下必須對該電解質(zhì)128的材料特性進行同時的優(yōu)化，以不僅用作載體材料，而且用作氧離子導體以及用作電阻材料128。由此可能得到較小的精確度和傳感器動態(tài)。在圖2中從而示出了傳感器裝置112的一個實施例，其克服了這個缺點。在此所使用的傳感器元件116在原理上很大程度地相應(yīng)于圖1的傳感器元件116。但與那里所示的構(gòu)造不同，該溫度感測器138和該能斯脫單元120分離地來構(gòu)造。該溫度感測器138在該參照氣體室126中包含有在該實施例中與該第二電極124 —致的或相組合的內(nèi)電極144， 然而包含有與該第一電極122分離構(gòu)造的、暴露于參照氣體室110中的外電極146。另外該溫度感測器138還包含有電阻材料142，其把該內(nèi)電極144和外電極146相互連接。該電阻材料142在該實施例中與該固體電解質(zhì)128的材料相分離。該固體電解質(zhì)128在此用作載體材料148尤其作為載體層，其中加入了該電阻材料142。比如該固體電解質(zhì)128可以作為陶瓷薄膜來構(gòu)造，并且該電阻材料142可以作為熱敏電阻材料而被嵌入到該載體材料148 中。該電阻材料142可以與此相應(yīng)地來優(yōu)化，以在相關(guān)的尾氣溫度范圍內(nèi)比如在300° C和 1000° C之間來對溫度進行優(yōu)化。該電阻材料142與此相應(yīng)地在圖2中用NTC2來表示。這種被優(yōu)化的電阻材料142在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)作為在單個溫度感測器中的材料而是已知的。 對于圖2的實施尤其適合的比如是Y-Tb-X混合氧化物，其中X比如可以是釤和/或釓。這種材料可以在直至高于1100° C的溫度下用作熱敏電阻。這種材料的優(yōu)點是，其不具有相變，使得它與該固體電解質(zhì)128的典型陶瓷相兼容，并尤其還能與之同時地制造，比如通過所謂的混燒。該電阻材料142尤其可以借助一種或幾種以下的陶瓷制造工藝而被加入到該載體材料148中，比如加入到該YSZ載體薄膜中作為鑲嵌或沖壓物而嵌入到該載體材料 148中(所謂的生膜技術(shù))和/或作為膠或擠出物質(zhì)用于填充到為此而設(shè)置的凹槽中。所加入的電阻材料142、比如NTC2鑲嵌可以通過其他的措施附加地相對于該載體材料148而被密封。比如可以可選地通過玻璃化來進行密封。該熱敏電阻140或其電極144、146的接觸可以通過同樣的聯(lián)接導線130、132來進行，其還被用于接觸第一電極122和第二電極124。一個相應(yīng)的電子電路的實施例在下文中借助圖4和5來解釋。該傳感器裝置112的在圖2中所示的實施例相對于圖1中的實施例所具有的優(yōu)點是，該電阻材料142可以有目的地針對溫度測量而選擇，并從而可以與該固體電解質(zhì)128相分離地進行優(yōu)化。該電阻材料142的設(shè)計在此應(yīng)該高歐姆地來構(gòu)造，使得可選地作為參照氣體通道而構(gòu)造的參照氣體室126的臨界電流不被能斯脫單元的短路電流超過。這樣就可以有效避免出現(xiàn)CSD (特征下移，比如由于富氣而使第二電極124充電)?？傊ㄟ^與固體電解質(zhì)128無關(guān)地分離地優(yōu)化電阻材料142能夠?qū)崿F(xiàn)溫度測量的更高的精確度，并從而實現(xiàn)該傳感器裝置112的整體測量的更高精確度。在圖2的傳感器裝置112和傳感器元件116的實施例中，該固體電解質(zhì)128本身用作載體材料148，其中加入了電阻材料142，比如作為鑲嵌。但從而該固體電解質(zhì)128通常還必須同時在兩個要求上而被優(yōu)化，也即在載體功能上和在固體電解質(zhì)功能上。但在此通常存在目標沖突，該目標沖突是，增加的離子傳導性在很多情況下必須以降低的機械強度為代價。與此相反，圖3示出了傳感器裝置112以及本發(fā)明的傳感器元件116的一個實施例，其中該固體電解質(zhì)128也嵌入到與該固體電解質(zhì)128相分離構(gòu)造的載體材料148中。 在其他方面，該實施例很大程度上對應(yīng)于圖2的實施例，使得可以很大程度上參見該圖的說明。作為載體材料148比如可以采用一種電氣絕緣的陶瓷載體，比如Al2O315那么該固體電解質(zhì)128和該電阻材料142就可以分離地被優(yōu)化，其中該固體電解質(zhì)128可以針對離子傳導、比如氧離子傳導、和/或拉姆達值確定而被優(yōu)化，并且該電阻材料142可以針對溫度測量而被優(yōu)化。該固體電解質(zhì)128和電阻材料142比如可以再次分離地加入到該載體材料 148中，比如加入到載體薄膜中。對于加入技術(shù)可以參見按照圖2的加入電阻材料142的上述說明。這樣，通過有目的地選擇材料，不僅針對借助能斯脫單元120的拉姆達測量，尤其在精確度、動態(tài)和低溫特性方面，而且針對借助熱敏電阻140的溫度測量，尤其在在大測量范圍上的精確度方面，可以實現(xiàn)功能優(yōu)點。同時該載體材料148可以改善為最佳的強度以及必要時比如在絕緣特性方面的其他特性。在圖2和3的實施例中，該能斯脫單元120和熱敏電阻140尤其可以并聯(lián)連接。這比如可以根據(jù)在圖4和5中所示的實施方案來進行。在此圖4示出了由能斯脫單元120和熱敏電阻140組成的并聯(lián)電路的等效電路圖，圖5示出了在圖2和3中所示的傳感器元件 116的實施例的一種可能變型的朝向測量氣體室110的表面俯視圖。在此能斯脫單元120 和溫度感測器138在該傳感器裝置112的電路中如此來相互連接，使得其接入到不同設(shè)置的支路150、152中。在此，能斯脫單元120接入到該電路的第一支路150中，相反該熱敏電阻140接入到與該第一支路150并聯(lián)連接的第二支路152中。另外在該第二支路152中可選地接入了以比如印刷電容器形式的容性元件154，其中該電容器與該熱敏電阻140串聯(lián)連接。該熱敏電阻140從而在該實施例中通過一個串聯(lián)電容器與能斯脫單元120并聯(lián)連接。 對于該容性元件154比如提供了 IOOpF至1 μ F的電容，優(yōu)選約為InF。對于電容的這種優(yōu)選選擇，保持獲得該能斯脫單元120的DC分析，因為在低頻下該第二支路152截止。通過該第二支路152避免了該能斯脫單元120的短路。那么就可以在比如高于IkHz的頻率下來進行溫度測量，相反，僅在直至IOHz來分析該拉姆達測量。由此能夠分離信息。另外，在接入能斯脫單元120的第一支路150中，還可以接入感性元件156，這在圖4中象征性地示出，并比如也可以在圖5的實施例中和/或在圖2和3的實施例中來實現(xiàn)。在圖4所示的等效電路圖中，在此該能斯脫單元120象征性地通過一個能斯脫電壓源 158 (用Un來表示)以及與該能斯脫電壓源158串聯(lián)連接的固體電解質(zhì)128來表示。通過在該電路的第一支路150中加入該感性元件156，該固體電解質(zhì)128的電阻相對于該熱敏電阻140的電阻材料142的電阻沒有或者僅微不足道地影響該熱敏電阻140的測量精確度，并且該熱敏電阻140的整體測量精確度可以被利用。在圖4和5的實施方案中，把能斯脫單元120和溫度感測器138并聯(lián)連接的電路全部接入到該傳感器元件116中或上。這比如可以通過相應(yīng)印刷的聯(lián)接導線130、132來進行。另外該溫度感測器138完全集成在該傳感器元件116中。但與此不同的擴展方案原則上也是可以的。這種不同的擴展方案的一個例子在圖6中示出，其再次示出了具有傳感器元件116的傳感器裝置112。在此在所述實施例中的該傳感器元件116比如很大程度上對應(yīng)于圖1的傳感器元件116。就此而言比如可以參見上文的說明。但與圖1的實施例不同的是，在圖6所示的實施例中該能斯脫單元120沒有同時也用作溫度感測器138。如在圖2 和3中所示，也沒有設(shè)置集成在該傳感器元件116中的溫度感測器138，而是作為單獨的、 未集成的元件而構(gòu)造的溫度感測器138比如熱敏電阻140。從而比如可以作為溫度感測器 138而采用一種單獨的以及商業(yè)上可用的元件。該溫度感測器138比如可以作為可分離的單元連接到該傳感器元件116上。這比如可以通過傳輸電纜的夾緊或焊接來進行，和/或通過材料連接、比如利用在該陶瓷襯底上能斯脫單元120的印刷引線130、132。與圖4和5中的實施例相類似，比如可以利用兩個并聯(lián)連接的支路150、152來再次進行該溫度感測器138和能斯脫單元120的并聯(lián)連接，如在圖6中所示。也可以再次可選地在該第二支路152設(shè)置容性元件154，和/或在該第一支路150中設(shè)置(在圖6中未示出的)感性元件156，其再次可以與該溫度感測器138以及該能斯脫單元120相串聯(lián)連接。在圖6中所示實施例的一個優(yōu)點是，對于制造該傳感器元件116所需的陶瓷工藝可以被大大簡化。從而在制造該傳感器元件116時不必一定尤其把該電阻材料142和/或該容性元件巧4和/或該感性元件156燒結(jié)在一起。另外也可以避免上述的密封問題，其中該問題典型地在該電阻材料142集成在能斯脫單元120或傳感器元件116的層構(gòu)造中時產(chǎn)生。在圖4、5和6的實施例中，該容性元件巧4和/或該感性元件156比如可以作為印刷元件來實施。從而比如可以有利地作為厚層元件比如借助彼此疊置的和/或在一個平面中所設(shè)置的印刷層直接在該傳感器元件116上來構(gòu)造電容器。在此，比如可以在第一電極平面上比如鉬平面上印刷Al2O3層和/或另一絕緣材料的層，尤其是具有相對高介電常數(shù) ε r的一種材料。接著可以在該構(gòu)造上印刷第二電極平面比如第二鉬平面，使得形成一個三明治構(gòu)造，該三明治構(gòu)造用作容性元件154。該感性元件156可以以類似的方式通過印刷技術(shù)來生成。在圖1至6的所示實施例中的該傳感器元件116可以以常規(guī)的方式比如集成在一個(圖中未示出的)探測器機殼中。比如可以采用具有12mm或18mm螺紋的探測器機殼，也即比如常規(guī)的尾氣探測器的螺紋大小。該傳感器元件116尤其可以作為雙極傳感器元件 116、也即作為具有僅兩個聯(lián)接觸點134、136的傳感器元件116來構(gòu)造，使得比如可以采用雙極探測器機殼。這樣就可以實現(xiàn)體積小的、造價合理的以及簡單而魯棒地可制造的傳感器元件116，它可以與該控制裝置114一起共同作為傳感器裝置112而被應(yīng)用在比如兩輪車應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測在測量氣體室(110)中氣體的至少一個特性的、尤其用于確定氣體組分的份額的傳感器裝置(112)，其中該傳感器裝置(112)包含有至少一個傳感器元件 (116)，其中該傳感器元件(116)具有至少一個能斯脫單元(120)，該能斯脫單元具有至少一個能夠被施加來自測量氣體室(110)的氣體的第一電極(122)、至少一個設(shè)置在參照氣體室(126)中的第二電極(124)和至少一個把該第一電極(122)和第二電極(124)相連接的固體電解質(zhì)(128)，其中該傳感器裝置(112)具有至少一個溫度感測器(138)，用于檢測在該測量氣體室(110)中氣體的溫度，其中該傳感器裝置(112)包含有至少一個控制裝置 (114)，并設(shè)置用于檢測該能斯脫單元(120)的信號并在考慮溫度的情況下對其進行分析。
2.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的傳感器裝置(112)，其中該能斯脫單元(120)的信號的分析按照閾值方法來進行，尤其如下閾值方法，其中僅當該溫度高于至少一個閾值溫度時才分析該能斯脫單元(120)的信號。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置(112)，其中該溫度感測器(138)和該能斯脫單元(120)至少部分地是一致的，其中該控制裝置(114)設(shè)置用于實施該溫度的檢測并且時間上分離地實施該能斯脫單元(120)的信號的檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的傳感器裝置(112)，其中該溫度感測器(138)和該能斯脫單元(120)至少部分分離地來構(gòu)造。
5.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的傳感器裝置(112)，其中該能斯脫單元(120)設(shè)置在該傳感器裝置(112)的電路的至少一個第一支路(150)中，其中該溫度感測器(138)設(shè)置在該電路的至少一個第二支路(152)中，其中該第一支路(150)和該第二支路(152)并聯(lián)連接。
6.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的傳感器裝置(112)，其中該控制裝置(114)設(shè)置用于通過頻率選擇的分析來分離該能斯脫單元(120)的信號和該溫度感測器(138)的信號。
7.根據(jù)前述兩個權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置(112)，其中在該第二支路(152)中附加地接入了至少一個容性元件(154)。
8.根據(jù)前述三個權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置(112)，其中在該第一支路(150)中附加地接入了至少一個感性元件(156)。
9.一種用于檢測在測量氣體室(110)中氣體的至少一個特性的、尤其用于確定氣體組分的份額的傳感器元件(116)，其中該傳感器元件(116)具有至少一個能斯脫單元(120)， 該能斯脫單元具有至少一個能夠被施加來自測量氣體室(110)的氣體的第一電極(122)、 至少一個設(shè)置在參照氣體室(126)中的第二電極(124)和至少一個把該第一電極(122)和第二電極(124)相連接的固體電解質(zhì)(128)，其中該傳感器元件(116)包含有至少部分作為熱敏電阻(140)來構(gòu)造的溫度感測器(138)，并具有至少一個與該第二電極(124)電連接的內(nèi)電極(144)和至少一個與該第一電極(122)不同的外電極(146)，其中該內(nèi)電極(144)和該外電極(146)通過至少一種與該固體電解質(zhì)(128)至少部分不同的電阻材料(142)相連接。
10.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的傳感器元件(116)，其特征在于，該第二電極(124)與該內(nèi)電極(144)至少部分地是一致的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10之一所述的傳感器元件(116)，其特征在于，該外電極(146) 能夠暴露于該測量氣體室(110)中的氣體中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一所述的傳感器元件(116)，其中該電阻材料(142)嵌入到載體材料(148)中。
13.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的傳感器元件(116)，其中該載體材料(148)是該固體電解質(zhì)(128)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器元件(116)，其中該載體材料(148)是絕緣材料，尤其是Al2O3，其中該固體電解質(zhì)(128)同樣嵌入到該載體材料(148)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14之一所述的傳感器元件(116)，包含有一個第一聯(lián)接觸點 (134)，其中該第一聯(lián)接觸點(134)與該第一電極(122)和該外電極(146)電連接，另外還包含有一個第二聯(lián)接觸點(136)，其中該第二聯(lián)接觸點(136)與該第二電極(124)和該內(nèi)電極 (144)電連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15之一所述的傳感器元件(116)，另外還包含有至少一個與該熱敏電阻(140)串聯(lián)連接的容性元件(154)，尤其是印刷的電容器。
17.根據(jù)權(quán)利要求9至16之一所述的傳感器元件(116)，另外還包含有至少一個與該能斯脫單元(120)串聯(lián)連接的感性元件(156)。
全文摘要
本發(fā)明推薦了用于檢測在測量氣體室(110)中氣體的至少一個特性的、尤其用于確定氣體中氣體組分的份額的傳感器裝置(112)。該傳感器裝置(112)包含有至少一個傳感器元件(116)。該傳感器元件(116)具有至少一個能斯脫單元(120)，該能斯脫單元具有至少一個能夠施加來自測量氣體室(110)的氣體的第一電極(122)、至少一個設(shè)置在參照氣體室(126)中的第二電極(124)和至少一個把該第一電極(122)和第二電極(124)連接的固體電解質(zhì)(128)。該傳感器裝置(112)具有至少一個溫度感測器(138)，以檢測在該測量氣體室(110)中氣體的溫度。另外該傳感器裝置(112)還包含有至少一個控制裝置(114)，并設(shè)置用于檢測該能斯脫單元(120)的信號并在考慮溫度的情況下對其進行分析。
文檔編號G01N27/406GK102257383SQ200980151696
公開日2011年11月23日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者施奈德 J., 迪爾 L. 申請人:羅伯特·博世有限公司