專利名稱：用于測量多種氣體種類的固體電解質(zhì)氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)相應(yīng)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所述的一種用于固體電解質(zhì)氣體傳感器的傳感器元件、一種相應(yīng)的固體電解質(zhì)氣體傳感器以及一種用于運(yùn)行這種傳感器的方法。
背景技術(shù)：
在機(jī)動(dòng)車技術(shù)領(lǐng)域中，構(gòu)造為固體電解質(zhì)氧傳感器的寬帶Lambda探測器是已知的，借助于所述寬帶Lambda探測器可以測量廢氣的氧部分壓力或者剩余氧部分壓力。其由固體電解質(zhì)組成，在所述固體電解質(zhì)中設(shè)置有用作泵室的空腔，其通過擴(kuò)散柵欄與例如相應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的廢氣保持連接。此外，所述探測器包含與環(huán)境空氣連接的空氣參考通道。從所述泵室中，在富含氧的廢氣中連續(xù)地、電化學(xué)地分離氧，其中在此作為基礎(chǔ)的氧擴(kuò)散流用作廢氣中氧部分壓力的測量參量。在氧欠缺的廢氣中，泵方向調(diào)轉(zhuǎn)。除所述寬帶探測器以外，還存在比例探測器，其可以在氧過剩的廢氣中或者在氧欠缺的廢氣中運(yùn)行，但不可以在整個(gè)帶寬范圍上運(yùn)行。如寬帶探測器那樣，在所述探測器中使擴(kuò)散受限的泵室不具有氧。氧擴(kuò)散流隨后作為可電測量的泵流繼續(xù)并且用作廢氣中氧部分壓力的測量參量。因?yàn)橛捎谌鄙賮碜阅芩固貑卧?Nernstzelle)的調(diào)節(jié)參量而不存在關(guān)于廢氣的油脂含量高狀態(tài)(Fettzustand)或油脂含量低狀態(tài)(Magerzustand)的說明，所以不能根據(jù)廢氣成分將氧電化學(xué)地抽入到泵室中或者從泵室中抽出，以便因此實(shí)現(xiàn)寬帶探測器。此外，已知了混合電勢探測器，其類似于Lambda跳變探測器并且由電化學(xué)單元組成，其中第一鉬金電極位于廢氣中。第二鉬金電極通過固體電解質(zhì)與廢氣空間分離并且借助于所述空氣參考通道與環(huán)境空氣保持均衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于以下構(gòu)思，對于在此涉及的固體電解質(zhì)氣體傳感器，在相應(yīng)的傳感器元件中在所述的擴(kuò)散柵欄的位置上設(shè)有作為進(jìn)氣限制的獨(dú)立泵單元。獨(dú)立泵單元在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中包括兩個(gè)加載的或者短接的泵電極，也確切地說，外部的和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極，所述獨(dú)立泵電極不必從外部接觸。通過外部的和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極的短接或歐姆加載(例如，使用歐姆負(fù)載電阻)，形成由所形成的能斯特電壓或者混合電勢電壓驅(qū)動(dòng)的遷移流?？梢越柚诜謩e調(diào)節(jié)的歐姆負(fù)載確定泵特性。在一個(gè)替代構(gòu)型中，獨(dú)立泵單元由外部的和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極形成，所述獨(dú)立泵電極從外部利用控制裝置、例如控制電路、分析處理電路等接觸或連接，由此至少兩個(gè)泵電極是可從外部現(xiàn)場改變的。借助于所述控制裝置在此優(yōu)選類似于擴(kuò)散柵欄地模擬擴(kuò)散特性，更確切地說，優(yōu)選通過兩個(gè)泵電極的電阻的變化。因此，借助于這樣的泵單元可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散柵欄的功能，其中與現(xiàn)有技術(shù)不同擴(kuò)散柵欄在泵單元運(yùn)行期間(即現(xiàn)場)是可調(diào)節(jié)或可微調(diào)的。
根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器的重要優(yōu)點(diǎn)是觸點(diǎn)數(shù)量的減少。附加地，在所提出的傳感器中相對于現(xiàn)有技術(shù)中所需的校準(zhǔn)步驟減少了開銷并且完全避免或者可以現(xiàn)場補(bǔ)償這樣的擴(kuò)散柵欄處的老化過程，由此根據(jù)本發(fā)明的傳感器相對于現(xiàn)有技術(shù)更容易運(yùn)行并且此外甚至使用壽命更長。借助于根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器可以定量地確定整個(gè)Lambda范圍內(nèi)的氧部分壓力或剩余氧部分壓力。通過容易接近的、外部的獨(dú)立泵電極的修改(例如混合電勢電極的形式)還可以進(jìn)行傳感器的匹配以檢測其他(不同的)氣體種類。本發(fā)明還涉及一種用于運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件以及相應(yīng)的用于定量檢測氧的固體電解質(zhì)氣體傳感器的方法，其中在兩個(gè)測量電極之間施加恒定電壓，其中在施加恒定電壓時(shí)得到的泵電流作為氣體中氧部分壓力的測量參量。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以借助于所施加的恒定電壓調(diào)節(jié)獨(dú)立泵單元的不同狀態(tài)。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，還可以在封閉的泵室中調(diào)節(jié)欠壓，由此也可以在廢氣油脂含量相對較高時(shí)(也就是說在廢氣具有相對較小的空氣值Lambda)時(shí)也生成正的泵流。需要注意的是，根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器不僅可用于具有所述優(yōu)點(diǎn)的機(jī)動(dòng)車技術(shù)領(lǐng)域中，而且可用于例如使用在這里涉及的種類的Lambda探測器的那些內(nèi)燃機(jī)或噴嘴中。


以下參考附圖根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例更深入地描述本發(fā)明，由這些實(shí)施例得出本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中，一致的或功能相同的特征設(shè)有相同的附圖標(biāo)記
在附圖中示出
圖1 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的寬帶Lambda探測器的傳感器元件的縱截面圖； 圖2 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的比例探測器的傳感器元件的縱截面圖， 圖3 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的混合電勢探測器的傳感器元件的橫截面圖， 圖4 根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器的第一實(shí)施例的傳感器元件的縱截面圖； 圖5 根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器的第二實(shí)施例的傳感器元件的縱截面圖； 圖6 用于校準(zhǔn)根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器中的氧傳輸?shù)目晌⒄{(diào)的電阻波紋的俯視圖7 根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器的第三實(shí)施例的傳感器元件的縱截面和
圖8 在在丙烷氣體噴嘴上使用根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)氣體傳感器典型測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式圖1以側(cè)截面圖示意性地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的寬帶Lambda探測器的傳感器元件 105。在那里示出的探測器由形成離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)的釔摻雜的二氧化鋯體110組成， 在所述二氧化鋯體內(nèi)設(shè)有空腔(泵室或泵單元)115，其通過擴(kuò)散柵欄120與待感測的廢氣保持連接。此外傳感器元件包含與環(huán)境空氣連接的空氣參考通道125。在廢氣中，在空腔115 和在空氣參考通道125中分別設(shè)有金屬陶瓷電極130、135，其通過單獨(dú)的引線與(在這里未示出的)電連接觸點(diǎn)(焊盤)連接。附加地在傳感器元件105的下部區(qū)域中設(shè)有加熱器140， 其具有所屬的加熱器隔離裝置145，借助于所述加熱器可以調(diào)節(jié)傳感器元件105的工作溫度。在富含氧的廢氣中，從泵室115通過電極對IPE 130和APE 150連續(xù)地電化學(xué)地導(dǎo)出氧，更確切地說，一直到電解對IPE 130和APE 150具有例如400 mV的電壓。施加在電極APE 150上的電勢是正的，更具確切地說，關(guān)于IPE 130的電勢是正的。在這種情形中， 氧擴(kuò)散流作為電極IPE 130和APE 150上的可電測量的泵流繼續(xù)并且用作廢氣中的氧部分壓力的測量參量。相反，對于欠缺氧的廢氣，泵方向調(diào)轉(zhuǎn)。APE 140的電勢相對于IPE 130是負(fù)的。 為了切換APE電勢，使用RE 135與IPE 130之間的電壓形成其輸入?yún)⒘康恼{(diào)節(jié)。圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的比例探測器的傳感器元件的縱截面圖。與帶寬探測器類似地，在比例探測器中擴(kuò)散受限的泵室200中沒有氧。氧擴(kuò)散流作為可電測量的泵流在內(nèi)部的傳感器電極205與(內(nèi)部的)參考電極210之間繼續(xù)并且用作廢氣中的氧部分壓力的測量參量。但因?yàn)橛捎谌鄙賮碜晕醇虞d的能斯特單元的信息(調(diào)節(jié)參量)而不存在關(guān)于廢氣的油脂含量高狀態(tài)或油脂含量低狀態(tài)的說明，所以也不能根據(jù)廢氣成分反轉(zhuǎn)泵方向，即將氧電化學(xué)地抽入到泵室中或者從泵室中抽出，以便由此實(shí)現(xiàn)寬帶探測器。如以下仍詳細(xì)描述地并且在這里已經(jīng)提到的那樣，在根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立泵室設(shè)置中，在這樣的比例探測器和與其連接的封閉泵室中，可以實(shí)現(xiàn)在廢氣富含氧和欠缺氧的情況下的寬帶測量運(yùn)行，即使所述傳感器類型具有僅僅兩個(gè)接觸電極。因此，借助于本發(fā)明可以在使用所述傳感器類型的情況下將觸點(diǎn)導(dǎo)通的數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)(附加所需的加熱觸點(diǎn))。在圖3中現(xiàn)在以與以上附圖類似的示圖示出了在現(xiàn)有技術(shù)中已知的混合電勢傳感器?；旌想妱輦鞲衅饔呻娀瘜W(xué)單元構(gòu)成，其中第一電極300設(shè)置在廢氣路徑中。第二鉬金電極305通過固體電解質(zhì)110與在這里設(shè)置在第一電極300上方的廢氣空間300分開并且借助于在此未示出的空氣參考通道(相應(yīng)于圖2中的附圖標(biāo)記125)與環(huán)境空氣保持均衡。在混合電勢傳感器中，存在以下電勢關(guān)系。在廢氣中的催化有效的鉬金電極中，在電極表面附近出現(xiàn)電化學(xué)平衡。在此，根據(jù)能斯特方程(方程1)得出電極電勢的差
權(quán)利要求
1.用于固體電解質(zhì)氣體傳感器的傳感器元件，該傳感器元件具有泵室、加熱器和設(shè)置在所述泵室中的第一泵電極以及至少一個(gè)第二泵電極，其特征在于，在擴(kuò)散柵欄的位置上設(shè)置有獨(dú)立泵單元作為進(jìn)氣限制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，所述獨(dú)立泵單元具有外部的獨(dú)立泵電極和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極，所述獨(dú)立泵電極不被從外部接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器元件，其特征在于，歐姆加載地或者電短接地運(yùn)行所述獨(dú)立泵單元的所述至少兩個(gè)泵電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器元件，其特征在于，借助于分別調(diào)節(jié)的歐姆負(fù)載確定所述獨(dú)立泵單元的泵特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的傳感器元件，其特征在于，所述內(nèi)部的獨(dú)立泵電極或者設(shè)置在廢氣中或者設(shè)置在所述傳感器元件的空氣參考通道中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5之一所述的傳感器元件，其特征在于，通過修改所述外部的獨(dú)立泵電極進(jìn)行所述傳感器元對不同氣體種類的檢測的匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，所述獨(dú)立泵單元具有外部的獨(dú)立泵電極和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極，所述獨(dú)立泵電極被從外部利用控制裝置接觸，借助于所述控制裝置能夠從外部改變所述至少兩個(gè)獨(dú)立泵電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器元件，其特征在于，借助于能夠從外部改變的至少兩個(gè)獨(dú)立泵電極模擬與在擴(kuò)散柵欄情況下類似的擴(kuò)散特性或者進(jìn)氣限制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器元件，其特征在于，所述至少兩個(gè)獨(dú)立泵電極的電阻能夠借助于所述控制裝置改變。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的傳感器元件，其特征在于，所述泵室是相對于待檢測的氣流氣密地封閉的。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的傳感器元件，其特征在于，相應(yīng)于待檢測的氣流與獨(dú)立泵單元之間的氧濃度梯度得出能斯特電壓，該能斯特電壓使氧傳輸?shù)剿霰檬抑谢蛘邚乃霰檬抑袀鬏敵鰜怼?br> 12.根據(jù)權(quán)利要求2至7之一所述的傳感器元件，其特征在于，作為外部的獨(dú)立泵電極使用混合電勢電極，由此所述傳感器元件根據(jù)電極材料適用于檢測其他的氣體種類。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的傳感器元件，其特征在于，作為電極材料，在能斯特電極的情形中使用Pt、Pd、Ir、Ta或這些材料的組合或者具有其他組成成分的組合、尤其是具有陶瓷成分(金屬陶瓷)的組合，或者在混合電勢電極的情形中使用Au、Ag、Cu、ai或者這些和 /或以上所述的材料的組合。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的傳感器元件，其特征在于，通過所述獨(dú)立泵室的歐姆負(fù)載借助于電阻、尤其是借助于能夠微調(diào)的電阻波紋調(diào)準(zhǔn)所述氧傳輸。
15.用于檢測氣體的固體電解質(zhì)氣體傳感器，其特征在于根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的傳感器元件。
16.用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求1至14之一的傳感器元件或者根據(jù)權(quán)利要求15的用于定量檢測氧的固體電解質(zhì)氣體傳感器的方法，其特征在于，在至少兩個(gè)泵電極(130，405)之間施加恒定電壓并且將在此產(chǎn)生的泵電流作為廢氣中的氧部分壓力的測量參量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于，借助于所述泵電極(130，405)上所施加的恒定電壓和/或通過所述獨(dú)立泵電極(415,420)自身的連接調(diào)節(jié)所述獨(dú)立泵單元(115，410) 的不同狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于，在所述獨(dú)立泵單元(115，410)中調(diào)節(jié)欠壓，由此在具有相對小的Lambda值的(油脂含量高的)廢氣時(shí)仍生成正的泵流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于固體電解質(zhì)氣體傳感器的傳感器元件，該傳感器元件具有氣密的泵室、加熱器和設(shè)置在所述泵室中的第一泵電極以及至少一個(gè)第二泵電極，在擴(kuò)散柵欄的位置上設(shè)置有獨(dú)立泵單元作為進(jìn)氣限制。所述獨(dú)立泵單元具有外部的獨(dú)立泵電極和內(nèi)部的獨(dú)立泵電極，所述獨(dú)立泵電極從外部通過可微調(diào)的電阻接觸或短接。
文檔編號G01N27/409GK102334027SQ201080009461
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者克拉默 B., 利默斯多夫 D. 申請人:羅伯特·博世有限公司