专利名称：用于测量多种气体种类的固体电解质气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据相应独立权利要求的前序部分所述的一种用于固体电解质气体传感器的传感器元件、一种相应的固体电解质气体传感器以及一种用于运行这种传感器的方法。
背景技术：
在机动车技术领域中，构造为固体电解质氧传感器的宽带Lambda探测器是已知的，借助于所述宽带Lambda探测器可以测量废气的氧部分压力或者剩余氧部分压力。其由固体电解质组成，在所述固体电解质中设置有用作泵室的空腔，其通过扩散栅栏与例如相应内燃机的废气保持连接。此外，所述探测器包含与环境空气连接的空气参考通道。从所述泵室中，在富含氧的废气中连续地、电化学地分离氧，其中在此作为基础的氧扩散流用作废气中氧部分压力的测量参量。在氧欠缺的废气中，泵方向调转。除所述宽带探测器以外，还存在比例探测器，其可以在氧过剩的废气中或者在氧欠缺的废气中运行，但不可以在整个带宽范围上运行。如宽带探测器那样，在所述探测器中使扩散受限的泵室不具有氧。氧扩散流随后作为可电测量的泵流继续并且用作废气中氧部分压力的测量参量。因为由于缺少来自能斯特单元(Nernstzelle)的调节参量而不存在关于废气的油脂含量高状态(Fettzustand)或油脂含量低状态(Magerzustand)的说明，所以不能根据废气成分将氧电化学地抽入到泵室中或者从泵室中抽出，以便因此实现宽带探测器。此外，已知了混合电势探测器，其类似于Lambda跳变探测器并且由电化学单元组成，其中第一钼金电极位于废气中。第二钼金电极通过固体电解质与废气空间分离并且借助于所述空气参考通道与环境空气保持均衡。
发明内容
本发明基于以下构思，对于在此涉及的固体电解质气体传感器，在相应的传感器元件中在所述的扩散栅栏的位置上设有作为进气限制的独立泵单元。独立泵单元在一个优选的实施方式中包括两个加载的或者短接的泵电极，也确切地说，外部的和内部的独立泵电极，所述独立泵电极不必从外部接触。通过外部的和内部的独立泵电极的短接或欧姆加载(例如，使用欧姆负载电阻)，形成由所形成的能斯特电压或者混合电势电压驱动的迁移流。可以借助于分别调节的欧姆负载确定泵特性。在一个替代构型中，独立泵单元由外部的和内部的独立泵电极形成，所述独立泵电极从外部利用控制装置、例如控制电路、分析处理电路等接触或连接，由此至少两个泵电极是可从外部现场改变的。借助于所述控制装置在此优选类似于扩散栅栏地模拟扩散特性，更确切地说，优选通过两个泵电极的电阻的变化。因此，借助于这样的泵单元可以实现扩散栅栏的功能，其中与现有技术不同扩散栅栏在泵单元运行期间(即现场)是可调节或可微调的。
根据本发明的固体电解质气体传感器的重要优点是触点数量的减少。附加地，在所提出的传感器中相对于现有技术中所需的校准步骤减少了开销并且完全避免或者可以现场补偿这样的扩散栅栏处的老化过程，由此根据本发明的传感器相对于现有技术更容易运行并且此外甚至使用寿命更长。借助于根据本发明的气体传感器可以定量地确定整个Lambda范围内的氧部分压力或剩余氧部分压力。通过容易接近的、外部的独立泵电极的修改(例如混合电势电极的形式)还可以进行传感器的匹配以检测其他(不同的)气体种类。本发明还涉及一种用于运行根据本发明的传感器元件以及相应的用于定量检测氧的固体电解质气体传感器的方法，其中在两个测量电极之间施加恒定电压，其中在施加恒定电压时得到的泵电流作为气体中氧部分压力的测量参量。在根据本发明的方法中，可以借助于所施加的恒定电压调节独立泵单元的不同状态。在根据本发明的方法中，还可以在封闭的泵室中调节欠压，由此也可以在废气油脂含量相对较高时(也就是说在废气具有相对较小的空气值Lambda)时也生成正的泵流。需要注意的是，根据本发明的固体电解质气体传感器不仅可用于具有所述优点的机动车技术领域中，而且可用于例如使用在这里涉及的种类的Lambda探测器的那些内燃机或喷嘴中。
以下参考附图根据优选实施例更深入地描述本发明，由这些实施例得出本发明的其他特征和优点。在附图中，一致的或功能相同的特征设有相同的附图标记
在附图中示出
图1 根据现有技术的宽带Lambda探测器的传感器元件的纵截面图； 图2 根据现有技术的比例探测器的传感器元件的纵截面图， 图3 根据现有技术的混合电势探测器的传感器元件的横截面图， 图4 根据本发明的固体电解质气体传感器的第一实施例的传感器元件的纵截面图； 图5 根据本发明的固体电解质气体传感器的第二实施例的传感器元件的纵截面图； 图6 用于校准根据本发明的固体电解质气体传感器中的氧传输的可微调的电阻波纹的俯视图7 根据本发明的固体电解质气体传感器的第三实施例的传感器元件的纵截面和
图8 在在丙烷气体喷嘴上使用根据本发明的固体电解质气体传感器典型测量结果。
具体实施例方式图1以侧截面图示意性地示出根据现有技术的宽带Lambda探测器的传感器元件 105。在那里示出的探测器由形成离子导电的固体电解质的钇掺杂的二氧化锆体110组成， 在所述二氧化锆体内设有空腔(泵室或泵单元)115，其通过扩散栅栏120与待感测的废气保持连接。此外传感器元件包含与环境空气连接的空气参考通道125。在废气中，在空腔115 和在空气参考通道125中分别设有金属陶瓷电极130、135，其通过单独的引线与(在这里未示出的)电连接触点(焊盘)连接。附加地在传感器元件105的下部区域中设有加热器140， 其具有所属的加热器隔离装置145，借助于所述加热器可以调节传感器元件105的工作温度。在富含氧的废气中，从泵室115通过电极对IPE 130和APE 150连续地电化学地导出氧，更确切地说，一直到电解对IPE 130和APE 150具有例如400 mV的电压。施加在电极APE 150上的电势是正的，更具确切地说，关于IPE 130的电势是正的。在这种情形中， 氧扩散流作为电极IPE 130和APE 150上的可电测量的泵流继续并且用作废气中的氧部分压力的测量参量。相反，对于欠缺氧的废气，泵方向调转。APE 140的电势相对于IPE 130是负的。 为了切换APE电势，使用RE 135与IPE 130之间的电压形成其输入参量的调节。图2示出根据现有技术的比例探测器的传感器元件的纵截面图。与带宽探测器类似地，在比例探测器中扩散受限的泵室200中没有氧。氧扩散流作为可电测量的泵流在内部的传感器电极205与(内部的)参考电极210之间继续并且用作废气中的氧部分压力的测量参量。但因为由于缺少来自未加载的能斯特单元的信息(调节参量)而不存在关于废气的油脂含量高状态或油脂含量低状态的说明，所以也不能根据废气成分反转泵方向，即将氧电化学地抽入到泵室中或者从泵室中抽出，以便由此实现宽带探测器。如以下仍详细描述地并且在这里已经提到的那样，在根据本发明的独立泵室设置中，在这样的比例探测器和与其连接的封闭泵室中，可以实现在废气富含氧和欠缺氧的情况下的宽带测量运行，即使所述传感器类型具有仅仅两个接触电极。因此，借助于本发明可以在使用所述传感器类型的情况下将触点导通的数量从三个减少到两个(附加所需的加热触点)。在图3中现在以与以上附图类似的示图示出了在现有技术中已知的混合电势传感器。混合电势传感器由电化学单元构成，其中第一电极300设置在废气路径中。第二钼金电极305通过固体电解质110与在这里设置在第一电极300上方的废气空间300分开并且借助于在此未示出的空气参考通道(相应于图2中的附图标记125)与环境空气保持均衡。在混合电势传感器中，存在以下电势关系。在废气中的催化有效的钼金电极中，在电极表面附近出现电化学平衡。在此，根据能斯特方程(方程1)得出电极电势的差
权利要求
1.用于固体电解质气体传感器的传感器元件，该传感器元件具有泵室、加热器和设置在所述泵室中的第一泵电极以及至少一个第二泵电极，其特征在于，在扩散栅栏的位置上设置有独立泵单元作为进气限制。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述独立泵单元具有外部的独立泵电极和内部的独立泵电极，所述独立泵电极不被从外部接触。
3.根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，欧姆加载地或者电短接地运行所述独立泵单元的所述至少两个泵电极。
4.根据权利要求3所述的传感器元件，其特征在于，借助于分别调节的欧姆负载确定所述独立泵单元的泵特性。
5.根据权利要求2至4之一所述的传感器元件，其特征在于，所述内部的独立泵电极或者设置在废气中或者设置在所述传感器元件的空气参考通道中。
6.根据权利要求2至5之一所述的传感器元件，其特征在于，通过修改所述外部的独立泵电极进行所述传感器元对不同气体种类的检测的匹配。
7.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述独立泵单元具有外部的独立泵电极和内部的独立泵电极，所述独立泵电极被从外部利用控制装置接触，借助于所述控制装置能够从外部改变所述至少两个独立泵电极。
8.根据权利要求7所述的传感器元件，其特征在于，借助于能够从外部改变的至少两个独立泵电极模拟与在扩散栅栏情况下类似的扩散特性或者进气限制。
9.根据权利要求8所述的传感器元件，其特征在于，所述至少两个独立泵电极的电阻能够借助于所述控制装置改变。
10.根据以上权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，所述泵室是相对于待检测的气流气密地封闭的。
11.根据以上权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，相应于待检测的气流与独立泵单元之间的氧浓度梯度得出能斯特电压，该能斯特电压使氧传输到所述泵室中或者从所述泵室中传输出来。
12.根据权利要求2至7之一所述的传感器元件，其特征在于，作为外部的独立泵电极使用混合电势电极，由此所述传感器元件根据电极材料适用于检测其他的气体种类。
13.根据权利要求8或9所述的传感器元件，其特征在于，作为电极材料，在能斯特电极的情形中使用Pt、Pd、Ir、Ta或这些材料的组合或者具有其他组成成分的组合、尤其是具有陶瓷成分(金属陶瓷)的组合，或者在混合电势电极的情形中使用Au、Ag、Cu、ai或者这些和 /或以上所述的材料的组合。
14.根据以上权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，通过所述独立泵室的欧姆负载借助于电阻、尤其是借助于能够微调的电阻波纹调准所述氧传输。
15.用于检测气体的固体电解质气体传感器，其特征在于根据以上权利要求之一所述的传感器元件。
16.用于运行根据权利要求1至14之一的传感器元件或者根据权利要求15的用于定量检测氧的固体电解质气体传感器的方法，其特征在于，在至少两个泵电极(130，405)之间施加恒定电压并且将在此产生的泵电流作为废气中的氧部分压力的测量参量。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，借助于所述泵电极(130，405)上所施加的恒定电压和/或通过所述独立泵电极(415,420)自身的连接调节所述独立泵单元(115，410) 的不同状态。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，在所述独立泵单元(115，410)中调节欠压，由此在具有相对小的Lambda值的(油脂含量高的)废气时仍生成正的泵流。
全文摘要
本发明涉及一种用于固体电解质气体传感器的传感器元件，该传感器元件具有气密的泵室、加热器和设置在所述泵室中的第一泵电极以及至少一个第二泵电极，在扩散栅栏的位置上设置有独立泵单元作为进气限制。所述独立泵单元具有外部的独立泵电极和内部的独立泵电极，所述独立泵电极从外部通过可微调的电阻接触或短接。
文档编号G01N27/409GK102334027SQ201080009461
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月27日
发明者克拉默 B., 利默斯多夫 D. 申请人:罗伯特·博世有限公司
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