JP4878374B2 - 測定ガス中の種々異なるガス成分を検出するためのセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、測定ガス中の、有利には内燃機関の排気ガス中の種々異なるガス成分を検出するためのセンサ素子に関する。

測定ガスのガス成分を検出するセンサ素子は、従来技術から種々異なる構成で公知である。自動車技術の分野では、例えばラムダセンサが公知であり、このラムダセンサは排気ガス中の酸素成分を測定し、この測定結果に基づいて燃焼プロセスを調整する。この種のセンサ素子は熱い排気ガス流に配置され、非常な高温にさらされる。最新のセンサ素子は電気化学的な固体電解質センサとして構成されており、センサ素子を約７５０℃に加熱するためにヒータを有する。内燃機関の効率をさらに改善し、ならびに排気ガスの削減を可能にするためには、排気ガスの酸素成分以外にも、排気ガス中の別のガス成分を検出することが必要である。

発明の利点
請求項１記載の特徴的構成を備える本発明のセンサ素子の利点は、測定ガス中の、有利には内燃機関の排気ガス中の種々異なるガス成分を検出できることである。ここではただ１つのセンサ素子のみが必要とされる。このセンサ素子は、測定ガス中の酸素成分を検出するためのラムダセンサと、測定ガス中の少なくとも１種類の別のガス成分を検出するために少なくとも１つの半導体ガスセンサとを有する。さらにこのセンサ素子は、半導体ガスセンサと接続しているマルチプレクサを有する。このマルチプレクサを使用することにより、その場での信号処理が可能となり、これによりセンサ素子の障害脆弱性が格段に減少する。このマルチプレクサは信号線路を減らすことができる。なぜならこのマルチプレクサは、入力端が多数あっても、有利にはただ１つの出力端を有するからである。したがってこのマルチプレクサは、センサ素子のセンサ端子の数を低減する。これにより、センサ素子を特に低コストで製作することができる。

従属請求項は、本発明の有利な発展形態を示す。

有利には、半導体ガスセンサはマルチガスセンサとして構成されており、測定ガス中の検出すべきガス成分ごとに対して、それぞれ少なくとも１つのガス感知ゲートを半導体素子の上に有する。択一的に、多数の別個の半導体ガスセンサを設けることもでき、この多数の半導体ガスセンサのそれぞれは、測定ガス中のただ１種類のガス成分のみを検出することができる。しかしこのように配置するためには、比較的大きな構造スペースが必要であり、半導体素子をマルチガスセンサとして構成することが、製作上の理由、およびそのコンパクトさから望ましい。

本発明の別の有利な構成によれば、マルチプレクサは半導体ガスセンサに集積されている。これによって特にコンパクトな構造が実現でき、有利には半導体ガスセンサとマルチプレクサの間の別個の接続線路を省略することができる。

本発明の別の有利な実施例によれば、マルチプレクサと半導体ガスセンサはそれぞれ別個の構成素子である。これにより例えば、マルチプレクサに対して標準的な構成素子を使用することができる。

マルチプレクサを作動するためには予めクロックを設定しなければならない。このクロックは、複数の入力端での測定信号を、１つまたは複数の出力端に切り換えるためのものであり、有利にはマルチプレクサに配置されたクロック発生回路によって発生する。

本発明の択一的実施形態によれば、マルチプレクサのために設定すべきクロックは、外部のクロック発生装置によって発生する。特に有利には、この外部クロック発生装置は、センサ素子の加熱素子のためのクロック発生装置である。このクロック発生装置は、例えばセンサ素子の加熱素子のパルス幅変調し、このセンサ素子は、加熱素子によって周期的にクロッキングされ、加熱される。これにより、マルチプレクサと、加熱素子のクロック発生装置とを接続するだけでよい。これによってマルチプレクサは特に簡単にコンパクトに製作でき、センサ素子は非常に低コストで製作できる。さらに有利には、妨害となる相互の信号干渉を最小化するために、データ交換の測定と加熱とを同期制御することができる。

さらに有利には、半導体ガスセンサは、高温半導体、有利にはSiC、GaN、またはGaAlNによって製作されている。これにより、３００℃を超える高い排気ガス温度でも、半導体ガスセンサの物理的問題が生じない。

有利には、マルチプレクサのための外部クロック発生装置とマルチプレクサとの間に、単安定マルチバイブレータが配置されている。これにより、マルチプレクサ切換えとクロックパルスとの間の遅延を調整することができる。このことは、センサ素子の加熱素子のためのクロック発生装置がマルチプレクサに対して使用される場合に特に有利である。このような場合では、加熱素子に対する電流ないし電圧がセンサ信号に入り込む可能性があるからである。

本発明のセンサ素子は、特に有利には自動車において、自動車の排気ガス中の種々異なるガス成分を検出するために使用される。有利には、ガスとして、排気ガス中の窒素化合物、および／または一酸化炭素、および／またはアンモニア、および／または炭化水素などが検出される。

本発明を図面に示された有利な実施例に基づいて、以下詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ素子の概略断面図である。
図２は、センサ素子の加熱素子のためのパルス幅変調のクロックシーケンスの概略図である。
図３は、本発明の第２の実施形態によるセンサ素子の概略断面図である。

実施例
以下、図１および２に関連して、本発明の第１の実施例によるセンサ素子１について説明する。

図１に示すように、センサ素子１は、内燃機関の排気ガス中の酸素成分を検出するためにラムダセンサ２を有する。このラムダセンサ２は従来のように構成されており、図１に概略的にだけ示されている。このラムダセンサ２はセンサユニット３を有し、このセンサユニットはベース材料４の上に、有利には、例えば酸化ジルコニウムのような固体電解質の上に配置されている。さらにこのラムダセンサ２は加熱素子５を有する。図１では、さらにラムダセンサ２のための２つの接続端子２ａ，２ｂが示されている。しかしラムダセンサの種類に応じて、さらに別の接続端子を設けることもできる。この加熱素子５も同様に２つの接続端子５ａ，５ｂを有し、加熱素子５は、パルス幅変調方法、または固定周期でクロックする方法を用いて加熱される。加熱素子５により、ラムダセンサがその動作中に約７５０℃である必要温度を有することが保証される。このことは、例えば接続端子２ａ，２ｂの内部抵抗を測定することによって保証できる。

本発明のセンサ素子１はさらに半導体ガスセンサ６を有し、この半導体ガスセンサ６はラムダセンサ２に配置されている。この半導体ガスセンサ６は、排気ガス中の種々異なる別のガス成分を検出するために多数のセンサユニット有する。これらのセンサユニットは、例えばSiC、GaN、またはGaAlNなどの高温半導体から製作されている。この半導体ガスセンサ６も同様に、排気ガス流の中に配置される。測定ガスから検出すべきそれぞれのガス種類ごとに、例えば電界効果トランジスタのような半導体構成素子が半導体ガスセンサ６に配置される。これらのセンサユニットは、所定のガスまたは所定のガス群をそれぞれ感知する。半導体ガスセンサ６にあるこれらのセンサユニットはそれぞれ少なくとも１つの電気信号を送出し、この電気信号は測定すべきガス濃度を検出するために利用される。

図１に示すように、センサ素子１はさらにマルチプレクサ７を有し、このマルチプレクサも同様にラムダセンサ２に配置されている。マルチプレクサ７は電気回路であり、この電気回路は、半導体ガスセンサ６から到来する多数のセンサユニットの信号を、シーケンシャルに、所定のクロックで、１つまたは少数の出力チャネルに切り換える。ここに説明する実施例では、マルチプレクサ７はただ１つの出力端７ａを有する。図１に示すように、マルチプレクサ７は、多数の接続線路９を介して半導体ガスセンサ６と，厳密には半導体ガスセンサの個々のセンサユニットと接続している。半導体ガスセンサ６への線路は、図１に参照符号６ａで示されている。

図１に示すように、センサ素子１の全体構造は非常にコンパクトである。マルチプレクサ７および半導体ガスセンサ６は、ラムダセンサ２の外側に配置されている。

さらに、加熱素子５の接続端子５ａとマルチプレクサ７との間に接続線路８が設けられている。接続線路８を介してマルチプレクサ７に、加熱素子５を作動させるために使用されるクロック信号が伝送される。図２は、クロック信号の可能な構成を、パルス幅変調の形態で概略的に示す。このクロック信号は固定の基準クロックを有し、連続して生じるパルスは重ならない。したがって加熱素子５のためのクロックTは、マルチプレクサ７のためのクロックとしても使用される。したがってマルチプレクサ７に対しては、マルチプレクサに到来するパラレル信号を、マルチプレクサ７の出力端７ａのためのシリアル信号に変換するために外部クロックが設けられる。マルチプレクサの出力端７ａはここに図示されていない評価回路と接続している。このようにしてマルチプレクサ７により、センサ素子の接続端子の数を減らすことができる。マルチプレクサ７は、クロックとして加熱素子５のクロックを使用するから、構成は特に簡単となる。もっとも、加熱素子５を作動させるためのクロックとしてパルス幅変調が使用される場合には、以下のことに留意しなければならない。すなわち、最大パルス幅は基準クロックと同じ大きさにはならない、つまり２つの連続して生じるパルスは、なお時間的に分離されていることに留意しなければならない。このことは例えば、数μｓからｍｓの休止期間が挿入されることによって達成される。特に有利には、マルチプレクサは、例えば加熱素子のためのクロックＴの上昇エッジに応答するように作動される。さらに、基本的に非周期的信号も、クロック発生器としてマルチプレクサ７に使用できることに留意すべきである。

ラムダセンサ２は、ここでは任意の形式のラムダセンサでよい。このラムダセンサは例えば跳躍検知センサ、または基準電極を備えない純粋な電流測定限界電流センサないしはポンプセンサ、または基準電極を備える電流測定限界電流センサないし広帯域センサとすることができる。したがって全ての使用可能なラムダセンサで、本発明のセンサ素子１の付加機能により、さらに別のガス種類を検出するために、ただ２つの別の接続端子６ａ，７ａだけが設けられる。択一的に、１つ以上の出力端７ａを有するように構成することもできることに留意すべきである。

さらに、単安定マルチバイブレータがマルチプレクサ７と線路８との間に配置されると有利であることに留意すべきである。なぜなら、加熱素子５に対するヒータ電流およびヒータ電圧が、センサ信号に入り込むことがあるからである。さらに、クロック信号がマルチプレクサの上流または下流でさらに統合される場合、この単安定マルチバイブレータによって、切り換えパルスの周波数を分周することができる。これにより、比較的長い時間にわたって精度を向上することができる。

以下、図３に関連して、本発明の第２の実施例によるセンサ素子１を説明する。ここでは、本発明の第１の実施例と同じ、ないし機能的に同じ部材は、同じ参照符号で示されている。

第１の実施例との相違として、第２の実施例のセンサ素子１は、集積された１つの構成素子１０を有し、この集積された構成素子１０は半導体ガスセンサ６およびマルチプレクサ７を有する。言い換えれば、マルチプレクサ７は半導体ガスセンサ６に集積されており、１つの集積構成素子１０が製作される。これにより、半導体ガスセンサ６とマルチプレクサ７の間の多数の接続線路９を省略することができる。したがって、センサ素子１をよりコンパクトに、より低コストで製作できる。その他の点で、この第２の実施例は第１の実施例に相当し、第１の実施例の説明を参照することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ素子の概略断面図である。 図２は、センサ素子の加熱素子のためのパルス幅変調のクロックシーケンスの概略図である。 図３は、本発明の第２の実施形態によるセンサ素子の概略断面図である。

Claims (10)

1. 測定ガス中の種々異なるガス成分を検出するためのセンサ素子において、測定ガス中の酸素成分を検出するためのラムダセンサ（２）と、測定ガス中の少なくとも１種類の別のガス成分を検出するための少なくとも１つの半導体ガスセンサ（６）と、マルチプレクサ（７）とを有し、
   該マルチプレクサは前記半導体ガスセンサ（６）と接続しており、
   前記マルチプレクサ（７）のためのクロックを発生する外部クロック発生装置が設けられており、
   該外部クロック発生装置は、前記ラムダセンサ（２）の加熱素子（５）を作動させるために、接続線路（８）を介して前記マルチプレクサ（７）と接続されている
   ことを特徴とするセンサ素子。
2. 請求項１記載のセンサ素子において、前記半導体ガスセンサ（６）は、多種類の種々異なるガス成分を検出するためにマルチガスセンサとして構成されており、
   前記半導体ガスセンサ（６）は、検出すべきそれぞれのガスセンサごとに少なくとも１つの半導体構成素子を有することを特徴とするセンサ素子。
3. 請求項１または２記載のセンサ素子において、１つの集積構成素子（１０）を製作するために、前記マルチプレクサ（７）は前記半導体ガスセンサ（６）に集積されていることを特徴とするセンサ素子。
4. 請求項１または２記載のセンサ素子において、前記マルチプレクサ（７）は前記半導体ガスセンサ（６）とは別個に前記ラムダセンサ（２）に配置されていることを特徴とするセンサ素子。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載のセンサ素子において、前記外部クロック発生装置はパルス幅変調することを特徴とするセンサ素子。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載のセンサ素子において、前記外部クロック発生装置と前記マルチプレクサ（７）の間に単安定マルチバイブレータが配置されていることを特徴とするセンサ素子。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載のセンサ素子において、前記半導体ガスセンサ（６）が高温半導体からなるセンサユニットを有することを特徴とするセンサ素子。
8. 請求項７記載のセンサ素子において、前記高温半導体はGaN、SiC、またはGaAlNであることを特徴とするセンサ素子。
9. 請求項１から８のいずれか一項記載のセンサ素子において、前記測定ガスは、内燃機関の排気ガスであることを特徴とするセンサ素子。
10. 請求項１から９のいずれか一項記載のセンサ素子を有する自動車。

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