KR101113543B1 - 가스 센서 - Google Patents

Abstract

가스 혼합물에서, 특히 내연 기관의 배기 가스에서 산소 농도를 결정하기 위한 가스 센서이며, 상기 가스 센서는 펌프 셀과, 기준 가스에 노출되는 기준 전극과, 센서 가열기를 구비하며, 상기 펌프 셀은 가스 혼합물에 노출되는 외부 펌프 전극과, 확산 장벽을 통해 가스 혼합물에 노출되는 내부 펌프 전극과, 외부 펌프 전극과 내부 펌프 전극 사이에 배치되는 고체 전해질 본체를 포함하며, 외부 펌프 전극은 펌프 전류 라인을 통해, 내부 펌프 전극은 측정 라인을 통해, 기준 전극은 기준 펌프 전류 라인을 통해, 센서 가열기는 2개의 가열 라인들을 통해 회로 장치와 연결되는 가스 센서에 있어서, 펌프 전류 라인과 가열 라인은 서로 전기 전도성 연결되어 접지부로 인가되고, 펌프 전류는 측정 라인을 통해 공급 가능하며, 네른스트 전압은 측정 라인과 기준 펌프 전류 라인 사이에서 측정 가능하며, 기준 펌프 전류는 기준 펌프 전류 라인을 통해 기준 전극에 안내되고, 이로부터 추가로 외부 펌프 전극에 안내되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.

가스 센서, 외부 펌프 전극, 내부 펌프 전극, 펌프 셀, 기준 전극

Description

가스 센서{GAS SENSOR}

본 발명은 청구범위 제1항의 유형에 따른 가스 센서에 관한 것이다.

예를 들어 본 가스 센서는 DE 102 57 284 A1호에 제시된다. 각각 필수적인 가열 출력을 센서 요소에 제공하기 위해, 센서 가열기가 클럭 제어되어 작동되는 본 가스 센서에서 센서 가열기는 두 개의 공급 라인을 포함한다. 또한 펌프 전류 라인과, 측정 라인과, 기준 펌프 전류 라인은 펌프 셀 및 네른스트 셀을 위하여 제공된다. 공통 접지 라인은 상기 펌프 셀 및 네른스트 셀을 위해 사용된다.

광대역 센서의 접촉을 위해서, 플러그는 6개의 전극을 포함하는 것이 필수적이다. 추가의 라인들 및 플러그 핀들은 추가 제작 비용을 필요로 하므로 추가 비용을 야기한다. 또한 표준 플러그는 바로 사용할 수 없다. 또한, 내연 기관의 접지부와, 예를 들어 제어 장치를 통해 형성된 회로 장치의 접지부 사이의 전압 강하는 각 전류 부하에 따라 가변적이며, 연결부의 부식시 또한 약 1V를 초과함으로써 네른스트 전압을 초과할 수 있다는 단점도 있다.

또한 센서 요소에서 센서의 네른스트 셀과 클럭 제어된 가열기의 결합을 통해 출력 신호에 장애가 생길 수 있다. 신호 라인에 가열 전류를 결합함으로써 가스 센서의 기능에 현저한 장애를 야기할 수 있다.

이에 반해, 본 발명에 따른 청구범위 제1항의 특징부에 따른 가스 센서는, 펌프 전류 라인 및 가열 라인이 전기 전도성 연결로 접지부에 인가되고 펌프 전류는 측정 라인을 통해 공급 가능하며 네른스트 전압은 측정 라인과 기준 펌프 전류 라인 사이에서 측정 가능하기 때문에, 신호 라인과 더불어 플러그 핀도 생략될 수 있다는 장점을 지닌다. 상기 연결에 의하여 전압 강하는 클럭 제어된 가열 라인 상에서 필요한 펌프 전압을 변경하기는 하지만, 측정된 펌프 전류는 계속적으로 펌프 셀 만을 통해 흐른다. 또한 네른스트 전압이 오프셋을 포함하지 않는 것이 바람직하다.

종속 청구항에 제시된 수단을 통하여 바람직하게 독립 청구항에 기술된 가스 센서의 실시예들 및 개선예들이 가능하다.

바람직한 실시예에 따르면, 가열기는 High-Side-FET를 통해 클럭 제어된 전압으로 작동된다. 그렇지 않으면 제어 일렉트로닉스의 접지부는 배터리 전압(U_Batt) 상에 위치해야 한다.

접지 오프셋이 존재하는 경우, 네른스트 전압은 측정 라인과 기준 펌프 전류 라인 사이에 배치된 차동 증폭기를 통하여 바람직하게 검출된다.

바람직한 실시예는 가열 저항 및/또는 네른스트 셀의 내부 저항을 측정함으로써 센서 요소의 온도를 측정한다.

본 발명의 실시예들은 도면에 도시되며 후속적으로 더 자세히 설명된다.

도1은 선행 기술에 공지된 가스 센서의 센서 요소를 개략적으로 도시한 도면이다.

도2는 선행 기술에 공지된 가스 센서의 대체 회로도이다.

도3은 본 발명에 따른 가스 센서의 대체 회로도이다.

도1에 도시된 가스 센서(10)는 분석될 가스에 노출되는 제1 전극을 포함하며, 상기 제1 전극은 외부 펌프 전극(11)으로도 불린다. 분석될 가스는 가스 채널(12) 및 확산 장벽(13)을 통해, 제2 전극이 배치된 측정 가스 챔버(14)에 도달하며, 상기 제2 전극은 내부 펌프 전극(15)으로도 불린다. 제1 및 제2 전극(11, 15) 사이에서 펌프 셀이 형성된다. 제1 전극(11)은 펌프 전류 라인(16)과, 제2 전극(15)은 측정 라인(17)과 연결된다.

가스 센서(10)는 제3 전극(19)이 내부에 배치된 기준 가스 챔버(18)를 포함하며, 상기 제3 전극(19)은 기준 펌프 전류 라인(20)과 연결된다. 전극들(11, 15) 사이에서와 마찬가지로 기준 가스 챔버(18)와 측정 가스 챔버(14) 사이에 네른스트 셀이 형성되며, 기준 가스 이온 이동(21)이 상기 네른스트 셀 내에서 실행될 수 있다.

더욱이 가스 센서(10)는 가열 라인들(23, 24)을 포함하는 센서 가열기(22)를 포함한다. 도2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 펌프 전류 라인(16)과, 측정 라인(17)과, 기준 펌프 전류 라인(20)과, 가열 라인들(23, 24)은 제어 장치(200)에 공급된다. 이를 위해 예를 들어, 상응하는 수의 라인들을 구비한 플러그 핀들을 포함하는 플러그 커넥터가 제공된다.

도2에는 상기 유형의 가스 센서의 대체 회로도 및 예를 들어 제어 장치의 일부인 회로 장치(200)의 상세한 구조가 개략적으로 도시된다.

전류원(240)이 제공하는 기준 펌프 전류는 기준 펌프 전류 라인(20)을 통해 저항(241)을 거쳐 제3 전극(19)에 공급된다. 또한 기준 펌프 전류원(240)은 차동 증폭기(220)의 전도된(inverted) 입력부와 연결되며, 상기 차동 증폭기의 출력부는 작동 저항(223)을 통해 펌프 전류(I_P)를 제공한다. 펌프 전류(I_P)는 증폭기(222)에서 증폭되는 센서 신호와 동일하다. 펌프 전류(I_P)는 외부 펌프 전극(11)의 펌프 전류 라인(16)을 통해 공급된다. 측정 라인(17)을 통해 측정되고 차동 증폭기(220)의 전도되지 않은 입력부로 공급되는 전압은 외부 전극(11)과 내부 전극(12) 사이에서 센서 요소에 의해 형성되는 저항(R_ip)을 통해 강하한다. 측정 라인(17)은 가상 접지부(210) 및 기준 전압원(232)과 연결된다. 기준 전압원(232)은 차동 증폭기(220)의 전도되지 않은 입력부와 연결된다.

가열 저항(150)을 포함하는 가열기는 2개의 라인들(23, 24)을 통해 배터리 전압(U_Batt)과, 회로 장치(200)의 공통 접지부(251)를 위한 연결을 포함하는 Low-Side-FET(250)와 연결된다. 펌프 전류(I_P)의 일부는, 센서 신호의 보정을 위해 가변적이며 측정 저항(223)에 병렬로 위치한 트리밍(Trimming) 저항(224)을 통해, 그 리고 트리밍 라인(18)을 통해 이동된다. 여기서 광대역 센서의 연결은 6개의 라인을 필요로 한다.

도3에 도시된 본 발명에 따른 가스 센서의 경우, 라인들의 수를 줄이기 위해 외부 펌프 전극과 가열 라인(23')이 전기 전도성 연결된다. 상기 가열 라인(23')은 다시 회로 장치의 공통 접지부(251), 예를 들어 제어 장치(200)의 제어 장치 접지부로 안내된다. 제2 가열 라인(24')은 클럭 제어기(270)에 의해 클럭 제어된 High-Side-FET(260)를 통해 센서 가열기의 가열 저항(150)과 연결된다. 이러한 가스 센서의 경우 펌프 전류는 측정 라인(17')을 통해 공급되며 또한 그곳에서 측정된다. 내부 펌프 전극(15)과 제3 전극(19) 사이의 네른스트 전압의 측정을 위해 측정 라인(17')은 차동 증폭기(220)의 전도되지 않은 입력부에 공급된다. 전류원(240)이 제공하는 기준 펌프 전류는 기준 펌프 전류 라인(20')을 통해 상기에 공지된 방식으로 공급된다. 이를 위해 펌프 전류 컨버터는 양극으로 설계되는데, 음의 펌프 전류가 펌프 셀에 공급되어야 하기 때문이다.

네른스트 전압은 제2 전극, 즉 내부 펌프 전극(15)과, 제3 전극(19) 사이에서 차동 증폭기를 통해 탭핑(tapping)된다. 이러한 경우, 기준 전압원(232)은 차동 증폭기(220)의 전도되지 않은 입력부와 연결된다.

도2에 도시된 선행 기술에 공지된 가스 센서뿐 아니라 도3에 도시된 본 발명에 따른 가스 센서의 경우에도, 가스 센서의 내부 저항의 측정은 콘덴서(231)를 통한 스위칭 장치(230)에 의해 실행된다. 따라서, 네른스트 셀의 내부 저항의 측정에 의해 가스 센서의 온도가 추정될 수 있다. 또한 대안적으로, 가열 저항의 측정 을 통한 온도의 결정도 가능하다. 펌핑된 기준을 위한 전류는 기준 펌프 전류 라인(20')을 통해 제3 전극(19)에 공급되며 외부 펌프 전극(11)을 통해 흐른다. 따라서 외부 펌프 전극 내의 산소는 펌핑 배출되고, 내부 펌프 전극(15)으로부터의 펌핑 배출 결과로서 펌프 전류 신호의 오프셋이 제거된다. 즉, 기준 펌프 전류 신호는 오프셋을 포함하지 않는다.

도3과 관련하여 도시된 가스 센서는, 선행 기술에 공지되고 도2와 관련하여 기술된 가스 센서와 달리, 6개의 라인들 대신에 5개의 라인만이 필요하다는 결정적인 장점을 포함한다. 클럭 제어된 가열 라인의 전압 강하는 필요한 펌프 전압을 변경하기는 하지만 측정된 펌프 전류는 계속적으로 펌프 셀 만을 통해 흐른다.

Claims (3)

1. 가스 혼합물에서 산소 농도를 결정하기 위한 가스 센서이며, 상기 가스 센서는 펌프 셀과, 기준 가스에 노출되는 기준 전극(19)과, 센서 가열기(22)를 구비하며, 상기 펌프 셀은 가스 혼합물에 노출되는 외부 펌프 전극(11)과, 확산 장벽(13)을 통해 가스 혼합물에 노출되는 내부 펌프 전극(15)과, 외부 펌프 전극(11)과 내부 펌프 전극(15) 사이에 배치되는 고체 전해질 본체를 포함하며, 외부 펌프 전극(11)은 펌프 전류 라인(16; 16')을 통해, 내부 펌프 전극(15)은 측정 라인(17; 17')을 통해, 기준 전극(19)은 기준 펌프 전류 라인(20; 20')을 통해, 센서 가열기(22)는 복수의 가열 라인들(23, 24; 23', 24')을 통해 회로 장치(200)와 연결되는 가스 센서에 있어서,

   펌프 전류 라인(16')과 복수의 가열 라인 중 하나는 접지부를 포함하여 전기적으로 연결되고, 측정 라인(17')은 펌프 전류를 공급하도록 구성되고, 기준 펌프 전류 라인(20')은 기준 펌프 전류를 기준 전극(19)으로 공급하고, 이로부터 외부 펌프 전극(11)으로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
2. 제1항에 있어서, 센서 가열기(22)는 High-Side-FET(260)를 통해 클럭 제어된 전압으로 작동 가능한 것을 특징으로 하는 가스 센서.
3. 제1항에 또는 제2항에 있어서, 네른스트 전압은 측정 라인(17')과 기준 펌프 전류 라인(20') 사이에 배치된 차동 증폭기(220)를 통하여 검출 가능한 것을 특징으로 하는 가스 센서.

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