CN101163965A - 被加热的安培计传感器及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
为了运行测量电流的固体电解质传感器，该固体电解质传感器具有借助电绝缘层与传感元件分开的加热器，尤其是规定，在传感元件和加热器之间施加电偏压，以致传感元件的电位范围和加热器的电位范围不重叠。
Description
现有技术
本发明涉及一种根据相应的独立权利要求的前序部分所述的、基于固体电解质的安培计传感器，以及一种用于其运行的方法。
这里所涉及的安培计传感器主要在电化学的测针和探针中被采用，例如用于确定尤其是内燃机的气体的氧气含量和气体混合物的λ值。这种基本上平面构造的传感元件由于简单和廉价的制造方式在实践中已经受住考验，因为这些传感元件能比较简单地被制造。在制造时大多从小片状的或者箔状的固体电解质出发，即从离子导电的材料出发，例如从这种由稳定的氧化锆制成的材料出发。
在实践中，按照扩散阻力原理工作的平面极谱法传感元件(探针)已针对这里所涉及的传感器得到特别的意义。例如从DE-OS 35 43 759和DE-OS 37 28 618以及EP-A 0 142 992、EP-A 0 142 993、EP-A 0148 622和EP-A 0 194 082中公知这种类型的传感元件。在这样的极谱法传感元件中，测量在施加在传感元件的两个电极上的恒定电压下的扩散电流或者扩散极限电流。在燃烧过程中形成的废气中，该电流如气体向被布置在传感元件中的抽运电极(Pumpelektrode)的扩散确定进行的反应的速度那样长期地与氧气浓度有关。公知的是，用以下方式来构造这样的按照极谱法测量原理工作的极谱法传感元件，即不仅阳极而且阴极遭受要测量的气体，其中，阴极具有扩散势垒。
这种安培计传感器的运行要求将传感元件的温度调节到600℃之上的、在+/-50℃的范围中的固定值。为此在通常的平面传感器结构(图1)中设置了由加热元件75和加热器引线80所组成的内部加热器。
通过调节电加热功率能影响传感元件的温度。电加热功率通常通过本身公知的脉宽调制法(PWM)来调整，其中，在高电位上运行加热器，即在关断状态下，整个加热器位于正的电池电压(11.4V...13.8V)，而在接通状态下，加热器端子接地，以致加热电流从正的加热器端子流向负的加热器端子。
这种加热器也具有从DE-OS 38 11 713中预先公知的平面极谱法传感元件(探针)，该传感元件具有抽运单元(Pumpzel1e)(A)和在抽运单元的抽运电极之前具有扩散阻力的扩散单元(R)，其中，通过在未烧结的传感元件中所嵌入的、多孔烧结的铸模(Formkoerper)构成扩散阻力。
如果基于固体电解质的平面传感元件现在具有集成的加热器，则该加热器以本身公知的方式被埋入到例如Al2O3的绝缘材料中，其中，加热器和绝缘材料又被埋入到离子导电的固体电解质材料中。
这种埋入的缺点是，存在着将加热器电耦合输入到被集成在传感元件中的测量单元(多个测量单元)或“抽运单元(多个抽运单元)”中的危险。其原因可能是：固体电解质与加热器之间的太小的绝缘层厚度，由于针孔(pinhole)、裂纹或缺陷处而引起的有缺陷的绝缘层，或绝缘材料本身的有限的绝缘能力。
例如从DE 43 43 089 A1中得知这种传感元件。该传感元件具有被埋入在电绝缘材料中的加热导线，其中，尤其是电绝缘材料的一部分借助至少一个空腔与传感元件的固体电解质衬底电流分开。这个或这些空腔实现了加热导线与传感元件的测量单元的显著改善的电解耦。这些空腔的厚度约为2μm至40μm。
不仅加热器而且电绝缘材料大多以厚层技术来实施，也就是将它们作为丝网印刷层压印到陶瓷的电解质衬底(优选的ZrO2)上。在此借助白金膏来制造加热器压印层，由现有技术的大规模技术的制造工艺决定地，该白金膏包含诸如Ti、Ca、Na、K的碱离子。绝缘膏和ZrO2衬底可能附加地包含其它杂质。在烧结传感元件期间，这些杂质通过从加热器层扩散到达周围的绝缘层中。现在在加热器运行时，杂质导致电耦合输入到传感器电极的信号上。
按照现有技术的上述加热器装置因此总共具有以下缺点：由计时的加热器运行所引起的容性耦合输入和漏电流导致了探针信号中的测量误差。绝缘层的绝缘作用越差，该测量误差则越大。为了使用化学方法来提高绝缘层的绝缘电阻，必须在加热膏中、在绝缘膏中和在ZrO2衬底中降低杂质浓度。为此必须采用具有较高纯度的材料和与此相协调的制造方法，这引起每个传感元件或传感器的成本更高。
发明内容
本发明所基于的思想在于，通过一种电气方法来提高加热器与固体电解质或传感元件之间的绝缘电阻，以便因此为了所述的、将纯材料用在制造工艺中而提供了廉价的、能简单实现的替换方案或补充方案。
根据本发明的、用于提高绝缘电阻的电气方法基于，在加热器与传感元件之间、优选地在加热器与传感元件的电极端子之间施加电偏压。
在一种优选的改进方案中，在加热器电源的接地与用于给传感元件供电的稳压器的接地之间施加电偏压，以致可以将传感元件中的电极的电位和加热器端子的电位互相相对移动到可自由选择的值上(图3)。
电偏压促使绝缘电阻增加。对此的一种可能的解释是，可移动的载流子由绝缘层中的电场推动地按照极性要么运动到绝缘层的边缘上，要么向加热器运动，并且绝缘层中的杂质浓度因此下降(图2)。
附图说明
以下参考附图借助实施例来深入说明本发明，从这些实施例中得出了本发明的其它特征和优点，其中，分别通过一致的参考符号来参考附图中的相同或功能相同的特征。
在附图中：
图1详细示出根据现有技术的测量电流的废气传感器的典型装置，其中可采用本发明；
图2详细示出在图1中所示出的废气传感器的示意性局部放大图，用于图解说明用于解释提高绝缘层的绝缘电阻的、根据本发明的载流子移动；
图3详细示出本废气传感器的传感元件的电气等效电路图和具有根据现有技术的、被布置在其间的绝缘层的加热器的电气等效电路图；
图4a详细示出根据现有技术的传感器电极和加热器的典型的第一电位位置；
图4b详细示出根据现有技术的传感器电极和加热器的典型的第二电位位置；
图5a详细示出根据本发明向上缩小的、加热元件的电位范围；
图5b详细示出根据本发明向下缩小的、加热元件的电位范围；
图6a详细示出根据本发明向上增大的电压偏移(Spannungshub)；
图6b详细示出根据本发明向下增大的电压偏移；
图7详细示出在不对称设计的加热元件引线的情况下根据本发明向上增大的、传感器电极的电位范围；
图8 a详细示出根据本发明执行的、图2中所示的废气传感器的交替操作，其中该传感器向上不充分地(mager)并且向下充分地(fett)来运行；和
图8b详细示出根据本发明所执行的、图2中所示出的废气传感器的交替操作，其中该传感器要么在λ＝1时利用APE在HZ+上不充分地运行要么利用LR在HZ+上充分地运行。
具体实施方式
图1简化地示出测量电流的废气传感器的电路技术装置。该废气传感器包括抽运单元10和被安放在衬底5上的测量单元15。衬底5当前由二氧化锆(ZrO2)构成。在抽运单元10上，在废气传感器的感测(sensierend)范围(在图1中为左边的末端范围)中，既布置由两部分组成的内抽运电极(IPE)20、20’，又布置外抽运电极(APE)25。内抽运电极20、20’尤其是被布置在空腔30中。
在测量单元15之下构造了用纯的外部空气供给的空气参考腔35，在该空气参考腔35中，靠近废气传感器的感测范围布置了空气参考电极(LR)40。空气参考电极40实现了输送给空腔30的废气相对于外部空气的参考测量。借助朝向废气传感器的背离感测范围的那端(在图中为右方)的引线45-55，将传感器电极20、20’、25和40与相对应的端子60-70导电连接。
当前由铂电极所构成的加热元件(Pt)75被埋入到当前的两层衬底5中。加热元件75借助同样由铂(Pt)构成的引线80与连接触点85相连接。要注意的是，在当前侧向剖面图中只能看到引线之一80。第二引线垂直于所示出的引线80之后的纸平面。此外还要注意的是，为了简化图示，仅通过简化的等效电路图来示出图3中的废气传感器以及加热元件75。
加热元件75以及引线80被埋入到当前由氧化铝(Al2O3)所构成的绝缘层90中，并且由此相对于测量单元(传感元件)电绝缘。绝缘层90的特征在于绝缘电阻Riso，该绝缘电阻Riso以本身公知的方式与绝缘层90的几何形状和杂质浓度有关。
图2示出在图1中所示的废气传感器的下部分的示意性的局部放大图，用于图解说明可能由于本发明的偏压所引起的载流子移动，借助该载流子移动，通过纯的电措施来提高被布置在传感元件的衬底5与加热器75-85之间的绝缘层90的绝缘电阻。
由于图2中所画入的电场E(箭头表明场向)，该电场E根据本发明的电偏压构造，正的载流子越来越多地在加热器75-85的方向上移动，而负的载流子越来越多地在衬底5的方向上移动。正如已经提及的那样，该载流子移动导致了，以同样已经列出的优点来提高绝缘层90的绝缘电阻。
传感器电极以本身公知的方式在图3中所示出的稳压器评估电路上运行。图3中在图的左半部分中所示出的评估电路包括本身公知的稳压器功能200，用于调整空气参考电极LR 40与内抽运电极IPE 20、20’之间的能斯脱电压ULR_IPE245。通过相对应的、本身公知的、在图3中未示出的电路，IPE电流205作为真正的探针信号来测量。这种电路例如包括被布置在200与210之间的分路电阻。以本身公知的方式(例如请参阅A.Bard的“Electrochemical Methods(电化学方法)”(J.Wiley&Sons))借助稳压器运算放大器210来实现能斯脱电压245的调整。在图3的图的右半部中，以等效电路图230的形式示出了传感器，该等效电路图230包括：在APE 25与IPE 20、20’之间下降的电压UAPE-IPE 235，APE 25的内阻Ri，APE240，以及在LR 40与IPE 20、20’之间下降的电压ULR-IPE245和LR 40的内阻Ri，LR 250。等效电路230此外还包括形式为其欧姆电阻Riso260的绝缘层90和加热元件75的电阻RHZ 270以及两个加热元件引线80的电阻275、280，电阻275、280在本实例中对称地设计并且因而分别为值1/2RHZ，Zul.。
在该按照现有技术的装置中，IPE 20、20’位于稳压器接地248的电位上。例如在典型的运行状态下，LR 40相对于IPE 20、20’位于+450mV，而APE 25相对于IPE 20、20’位于+1V。但是这些电位可以按照传感器的运行状态来移动。在图4a中示出了传感器电极20、20’、25、40的最大的电位范围。
借助在高压侧运行的场效应晶体管(“高压侧FET(highside-FET)”)，更确切的说在加热电源电压HZ+295与加热器接地HZ-300之间，实现加热器75-85的供电290。因此，在关断状态下，加热器的所有部件75-85位于施加在HZ+295上的电位，而在接通状态下，加载有负电压的加热元件端子85位于加热器接地HZ-300的电位。如已经提及的那样，加热元件75在传感器头部中位于电极20、20’、25和40的区域中，并且拥有比加热器引线80更高的电阻，以致这里给出了可供使用的加热功率中的较大的部分。在热的状态下，RHz和RHz，Zul.的比例约为2∶1，以致约2/3的加热电压在传感器头部中的加热元件75上下降。与此相对应地，总的加热电压不在加热元件75上下降，而是仅在UHzel+和UHzel-之间的、在图4a中以虚线示出的范围中下降。
在根据图3的电路装置中已经包含了用于产生根据本发明的电偏压的电压源310。该电压源310被连接在稳压器接地248与加热器接地300之间。加热器电压295涉及加热器接地300，而AWS+/-UB，AWS的电源电压涉及稳压器接地248。因而，通过调整310上的电压值U偏压，可以影响绝缘层90上的绝缘偏压Uiso。
图4a中所示的曲线图在左边的区域390中示出加热器75-85的典型的电位位置，而在右边的区域395中示出对于传感元件(传感器电极)20、20’、25、40典型的电位位置。如已经提及的那样，在左边的区域390中所示出的加热器75-85的电位范围由加热元件75的电位范围400以及加热器引线80的电位范围415组成，其中，在本实例中示出其中电气对称地构造两个加热器引线80的对称情况。从图4a中尤其是能看到，在虚线之上的电位范围410中，绝缘层90中的载流子可以自由运动，并且因此能以图2中所示的方式移动，在这些电位范围410中，加热元件75的电位范围400和传感器电极20、20’、25、40的电位范围405根据电位(当前在y方向上)重叠，并且因此适用Uiso＝0。
在按照现有技术的电位装置中(图4a)，稳压器的接地和IPE 20、20’位于HZ-上的2.5V的值上。加热元件75和传感器电极20、20'、25、40的电位范围因此重叠，以致在绝缘层上平均不出现偏压，而是存在着在其中偏压是正的、零或负的范围。
在根据图4b的按照现有技术的其它电位装置中，外抽运电极APE25被连接到加热元件75的电源电压上，以及被连接到电池电压上，即得到以下关系UAPE＝UHz+＝UBatt.。相对于APE 25来调节IPE 20、20’的电位位置。加热元件75和传感器电极20、20’、25、40的电位范围不重叠，以致出现了绝缘偏压。该变型的缺点在于，废气传感器的充分(imFetten)运行要求UIPE位于UAPE之上，以致IPE 20、20’必须在UBatt之上的电位上运行，这在纯电池供电的情况下是不可能的。出于该原因，以该电位位置只能不充分运行。
如已经提及的那样，本发明基于以下思想，即通过适当选择废气传感器的运行方式或被布置在该废气传感器中的加热元件75的运行方式来确保，传感器电极20、20’、25、40的电位范围和加热元件75的电位范围不出现重叠，以致绝缘偏压不在传感器头部的空间范围中变为零，而是要么只是正的，要么只是负的。加热元件75和传感器电极20、20’、25、40的两个电位范围400、405按照电位通过在两条虚线之内示出的范围420来互相分开。
从分析研究中得知，由于开头提及的杂质浓度在绝缘层90中下降，已经针对|Uiso|＞1V出现了绝缘电阻Riso的明显提高。
以下借助图5a至8b来说明根据本发明的传感器的若干其它实施变型。先要说明的是，在根据图5a和5b的实施例中，加热元件75的电位范围要么向下缩小(图5a)，要么向上增大(图5b)。在根据图6a和6b的实施例中，电压偏移要么向上增大(图6a)，要么向下增大(图6b)。在根据图7的实施例中，不对称地设计了加热元件75的电引线，以便当前获得传感器电极20、20’、25、40的、向上增大的电位范围。最后在根据图8a和8b的实施例中，以交替操作的方式来运行本发明传感器，其中，该传感器要么在上方的电位范围中不充分地和在λ＝1时运行，要么在下方的电位范围中充分地运行。
在图5a中所图解说明的实例中，通过以下方式将加热元件75的电位范围400在上方的电位末端上增大，即将正的加热电压下降到电池电压UBatt之下。现在将内抽运电极20、20’的电位UIPE置于被放大的电位范围中。由此，目前通过在两条虚线之内示出的、其中不出现电位范围重叠的范围420，又根据电位将电位范围400、405互相分开。由于该电位装置尤其是保证，绝缘偏压采用正的值。但是，为此必需一种要以本身已知的方式执行的电路技术措施，例如DC-DC转换器，用于产生值小于电池电压UBatt的正的加热电源电压。总之，在该实施例中针对单个电压得出了：
UHz+＝UBatt-2,5V，UHzcl+＜UIPE，UAPE＜UBatt：Uiso＞0。
在图5b中所示出的实施例中，向下缩小了加热元件75的电位范围400。由此，又在范围420之内避免了电位范围400、405的重叠。按照在图5a中所示出的实例，绝缘偏压在这里也始终采用负值，其中，对于单个电压值适用：
UAPE＜UHz-，UHz+＝UBatt：Uiso＜0。
在图6a中所示出的实施例中，IPE电位被置于正的加热电压之上的电位范围中。在位于两条虚线之内的范围420中，这里也有效地避免了加热元件75和传感器电极的电位范围400、405的重叠。由于绝缘电压Uiso在虚线示出的范围之内采用值零，所以这里始终有正的绝缘偏压。为了实现该电位装置又必需一种用于产生电压＞UBatt.的电路技术措施，例如又通过DC-DC转换器来实现。可替换地，可以在具有更高的电池电压的电源电网中(例如在42V的电源电网中)运行电位装置。于是必需一种电路技术措施，用于产生在电池电压之下的加热电源电压。
类似于图6a中所示出的实施例，在图6b中产生向下增大的电压偏移。但是此处与图6a相反地，绝缘偏压Uiso始终采用负值。为了实现，又必需一种本身公知的电路技术措施，用于产生在电池接地之下的电压。
在根据图7的实施例中，在上方或在下方不对称地实施电的加热元件引线80，以致加热元件75的电位范围400不再位于整个加热器(包括引线在内)的电位范围400、415的中心，也就是在该实例中同样不对称(上方大于下方)地构造加热元件引线80的两个电位范围415。图7仅仅图解说明了这两种情况中的第一种，即这里没有示出具有向下不对称的构造的第二种情况。由于该措施，在加热元件75的电位范围400的上端(或下端)，实现了较大的、供传感器电极20、20’、25、40使用的电位范围405(也就是约2.5V)，在该电位范围405中出现了正的绝缘偏压Uiso＞0。在其中两个电位范围400和405不重叠的范围420之内，适用Uiso＝0。要注意的是，按照不对称的加热器75-85的实施方案，绝缘偏压Uiso要么是正的(图7)要么是负的(没有附图)。
在图8a中所示出的实施例中，传感器以交替操作的方式来运行，即上方对于不充分的运行和下方对于充分的运行。在那里所示出的电位装置中，通过适当调节偏压，将稳压器接地和因此也将传感器电极的这里存在的两个电位范围405在不充分运行时和在λ＝1时置于加热元件引线80的上方的电位范围415中，而在充分运行时置于该引线的下方的电位范围415中。对于两个电位范围405，又有效地避免了与两个范围420之内的电位范围400的重叠。在不充分运行时，绝缘偏压Uiso始终是正的，而在充分运行时始终是负的。但是，此处，绝缘偏压在λ＝1-穿行(Durchgang)时变换符号，以致要考虑稍微减少的绝缘作用。
在图8b中所示出的实施例中，在不充分运行时，在λ＝1时，外抽运电极(APE)25被连接到加热器电源，而在充分运行时，空气参考电极(LR)40被连接到加热器电源。绝缘偏压Uiso既在充分运行时又在不充分运行时采用正值，即Uiso＞0。在其中电位范围400和405又不重叠的范围420之内，绝缘偏压总计为Uiso＝0。又必需一种本身公知的电路技术措施，用于将APE 25和LR 40连接到加热器电源上。
Claims (12)
1.用于运行测量电流的固体电解质传感器的方法，该固体电解质传感器具有传感元件和具有加热器，该加热器借助电绝缘层与传感元件分开，该加热器由至少一个加热元件和至少两个加热元件引线构成，其特征在于，在所述传感元件与所述加热器之间施加电偏压，以致传感元件的电位范围和加热器的电位范围不重叠。
2.按权利要求1所述的方法，其中，利用电极端子给传感元件供电，其特征在于，在所述加热器与所述传感元件的电极端子之间施加电偏压。
3.按权利要求2所述的方法，其中，传感元件借助稳压器评估电路来运行，其特征在于，在加热器的电源的接地与稳压器评估电路的接地之间施加电偏压。
4.按以上权利要求之一所述的方法，其中，传感元件具有内抽运电极和外抽运电极，其特征在于，通过以下方式在上方的电位末端上增大加热元件的电位范围，即将所述加热器的正的电源电压下降到电池电压UBatt之下，并且将所述内抽运电极的电位置于所述被增大的电位范围中。
5.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，向下减小了加热元件的电位范围。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述内抽运电极的电位范围被置于所述加热器的正的电源电压之上或之下的电位范围中。
7.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在上方或在下方不对称地实施至少两个加热元件引线，以致所述加热元件的电位范围不再位于所述加热器的电位范围的中心。
8.按权利要求3至7之一所述的方法，其特征在于，以交替操作的方式来运行所述传感元件，其中，借助偏压的调节，将稳压器评估电路的接地在不充分运行时和在λ＝1时置于加热元件引线的上方的电位范围中，而将稳压器评估电路的接地在充分运行时置于加热元件引线的下方的电位范围中。
9.测量电流的固体电解质传感器，其具有传感元件和具有加热器，该加热器借助电绝缘层与所述传感元件分开，该加热器由至少一个加热元件和至少两个加热元件引线构成，其特征在于用于在传感元件与加热器之间提供电偏压的装置。
10.按权利要求9所述的固体电解质传感器，其特征在于用于提供值小于电池电压UBatt的加热器的正的电源电压的装置。
11.按权利要求10所述的固体电解质传感器，其特征在于，通过DC-DC转换器构成了所述的、用于提供加热器的电源电压的装置。
12.按权利要求9至11之一所述的固体电解质传感器，其特征在于，该固体电解质传感器按照按权利要求1至8之一所述的方法来运行。
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