专利名称：具有温度感测器的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及已知的陶瓷传感器元件、尤其基于特定固体的电解特性的、也即基于该固体传导确定离子能力的传感器元件。这种传感器元件尤其被应用在汽车中。在汽车中陶瓷传感器元件的一个重要例子是用于确定空气-燃料混合物组分的传感器元件，其也被称作“拉姆达探测器”，并且不仅在快燃发动机、而且在柴油技术中在降低尾气有害物上具有重要意义。但本发明也可应用于其他方式的陶瓷传感器元件，比如尤其在尾气传感器中具有固体电解质的微粒传感器或类似方式的传感器。在不限制保护范围的情况下，本发明下面以拉姆达探测器的例子来进行解释，但其中依照上述的实施也可以制造其他方式的传感器元件。拉姆达探测器根据现有技术已知有众多不同的实施方案。拉姆达探测器的不同实施例在 Robert Bosch GmbH 的 “Sensoren im Kraftfahrzeug” 第二版，2007 年四月， 154-159页中有描述，其在本发明的范畴内也可以根据本发明进行变化
背景技术：
在已知的传感器元件中技术上的挑战在于，固体电解质材料传导确定离子的能力与固体电解质材料的温度密切相关。许多传感器元件从而包含有至少一个加热单元，借助该加热单元可以把该固体电解质的温度有目的地调节到确定值。为了调节温度比如可以在双单元和单单元实施中的宽带探测器中采用能斯脱单元的内阻。这比如在DE 101 01 351 Al中有描述。但这种传感器装置的缺点是，一方面其需要相对费事的控制装置。另一方面在这种传感器装置中所采用的传感器元件在制造中是相对费事的，因为一方面该加热单元的制造需要相当大的额外技术耗费，并且这样该加热单元和该传感器元件的其他部分的接线需要在传感器元件上具有多个(通常4至5个)联接触点。但是，尤其对于造价合理的应用，比如在两轮车辆领域中，期望利用相对简单传感器元件来构造的、但仍旧能够为发动机控制可靠检测测量值的传感器装置。
发明内容
从而本发明推荐了一种传感器装置以及适合应用在这种传感器装置中的传感器元件。该传感器装置用于检测在测量气体室中气体的至少一个特性，尤其物理和/或化学特性。所述至少一个特性尤其是在气体中气体组分、比如氧气的份额。该份额比如可以通过一个百分比或分压来表示。与此相应，该传感器装置尤其可以构造用于检测在内燃机尾气中的氧气份额。本发明下面主要参照作为拉姆达探测器的这种构造来阐述，但其中原则上其他的构造也是可以的，比如用于测量其他气体组分的构造、作为微粒传感器或类似传感器的构造。本发明的基本想法是，如果该传感器装置能够组合地测量能斯脱信号和温度测量，那么就能够大大简化传感器元件的电子接线和/或构造。具有组合测量功能的这种传感器装置尤其能够非常良好地满足两轮车应用的要求。能够优选地完全省略使用加热单元，使得比如气体、比如热尾气的温度本身能够被利用，以把该传感器元件带到所需的运行温度。该传感器装置包含有至少两个部件，也即至少一个控制装置和至少一个传感器元件。该控制装置在此可以完全或部分地集成在该传感器元件中，但是也可以完全或部分地作为外部控制装置来构造，并用于控制和分析所述至少一个传感器元件。该控制装置也可以完全或部分地与系统的其他部件相集成，比如汽车的发动机控制装置。该传感器元件包含有至少一个能斯脱单元，该能斯脱单元具有至少一个能够直接或间接施加来自该测量气体室气体的第一电极。比如该第一电极可以直接暴露于该测量气体室，和/或通过多孔的、透气的保护层与该测量气体室分离地来构造。该第一电极尤其可以作为外部电极(APE)来构造，其设置在该传感器元件的朝向该测量气体室的表面上。另外该能斯脱单元还包含有至少一个设置在参照气体室中的第二电极。该参照气体室应该与该测量气体室至少很大程度地相分离，使得优选地进行完全的、不透气的分离。但代替地或者附加地也可以如此来进行分离，使得在参照气体室和测量气体室之间仅在如下时间标度上才能够进行气体交换该时间标度所包含的时间明显长于与传感器元件运行有关的其他时间，比如固体电解质对离子的传输。该参照气体室与此相应地作为具有所定义气体的空间来构造，这可以以不同的方式来实现。从而在该参照气体室中的气氛比如可以有针对地通过一个或多个泵单元来调节(泵送参照)。但代替地或者附加地该参照气体室也可以与至少一个环境室相连，比如汽车的发动机室。与此相应，该参照气体室比如可以完全或部分地作为参照空气通道来构造，和/或与这种参照空气通道相连。不同的扩展方案也是可以的。 另外该能斯脱单元还包含有至少一个连接该第一电极和第二电极的固体电解质。该固体电解质比如可以包含有钇稳定氧化锆(YSZ)。但代替地或者附加地原则上其他的固体电解质材料也是可以的，比如钪稳定氧化锆(ScSZ)。其他的材料原则上也是可以的。该能斯脱单元提供至少一个信号，由该信号可以推断该气体的特性。比如在此可以是在该测量气体室中的氧气分压，使得该能斯脱单元比如可以作为简单的阶跃探测器(Sprimgsonde)来构造。另外该传感器装置还包含有至少一个温度感测器，以检测在该测量气体室中气体的至少一个温度。如下文还要更详细阐述的，该温度感测器比如可以完全或部分地集成在该传感器元件中，和/或完全或部分地作为外部的、与该传感器元件和/或该能斯脱单元相分离构造的温度感测器来构造。不同的扩展方案在下文中更详细解释。所述至少一个温度感测器在此原则上可以参考已知的用于检测温度的测量原理。比如该温度感测器可以包含有至少一个温度电阻(热敏电阻)，也即其电特性比如其特定的电阻与温度相关的电阻。已知有不同种类的热敏电阻。比如可以采用具有负温度系数的电阻(NTC电阻)和/或具有正温度系数的电阻(PTC电阻)。众多这种温度感测器在现有技术中是已知的，并原则上也可以在本发明的范畴内被采用。这种热敏电阻特征在于高的精确度、高的鲁棒性和高的温度测量范围。该传感器装置设置用于检测能斯脱单元的信号，也即原则上能够从中推断该气体的至少一个特性的信号。该传感器装置设置用于在考虑由该温度感测器所确定的测量气体室中气体温度的情况下来分析该信号。所述的分析的概念在此可以广泛地来领会。从而该分析比如可以包含对能斯脱单元信号的简单提供，比如提供到发动机控制装置。如下文中还要详细解释的，比如可以由控制装置来仅仅选择该能斯脱单元的、所测量的温度高于一个阈值温度的那些信号。但是代替地或者附加地该分析也可以包含有完全或部分的信号处理，比如过滤、其它完全或部分的信号处理、其他测量量的导出(比如换算为拉姆达值和/或要测量的气体特性的另外的
量化)等等。从而不仅优选地能够有效调节和/或控制该传感器元件的温度，而且在许多情况下在传感器元件的环境中总归出现的高温也能够被用于调节比如为至少400° C、尤其至少500° C的所需运行温度。只要没有达到所需的运行温度，那么该传感器装置就例如可以设置用于完全丢弃能斯脱单元的信号。代替地或者附加地，通常也可以利用一个解析的、经验的或半经验的校正函数比如恒定函数和/或阶跃函数来进行能斯脱单元的信号的校正。尤其针对两轮车应用，但也可以针对其他的需要造价合理的传感器装置的应用， 这比如可能意味着在启动时还不提供拉姆达探测器信号。稍后当达到运行温度时才可以检测并分析拉姆达探测器信号，其中通过根据本发明设置至少一个温度感测器就能够识别何时达到合适运行条件的时间点。与此相应，该传感器元件可以优选完全在没有有效加热单元的情况下来构造。该能斯脱单元信号的分析在此可以如上所述以不同的方式来进行，比如在采用一个或多个校正函数的情况下来进行。代替地或者附加地，这也可以理解为校正函数的概念， 但也可以采用阈值方法。在该阈值方法中比如可以预先给定至少一个阈值温度，该阈值温度比如可以存储在该控制装置的数据存储器中。在该阈值方法中，如果由所述至少一个温度感测器所检测的气体的温度高于至少一个阈值温度，那么才可以比如分析该能斯脱单元的信号。如上所述，但是较复杂的阈值方法也是可以的。从而比如可以通过相应的阈值温度来预先给定多个温度范围，其中在该温度范围内进行不同的分析，比如在当前的范围中考虑固体电解质的相应离子电导率。该温度感测器和能斯脱单元可以至少部分一致地来构造。从而比如该能斯脱单元本身可以作为热敏电阻而被利用。该控制装置那么就可以设置用于在时间上分离地实施温度的检测和能斯脱单元的信号的检测。从而通过检测在该能斯脱单元上的电压(能斯脱电压)，来检测能斯脱单元的信号。该温度比如可以如此来检测，即通过该能斯脱单元传导一个电流，其中可以确定该能斯脱单元的电阻，其中由该能斯脱单元的电阻就可以推断在测量气体室中气体的温度。其他的扩展方案也是可以的。可以以不同的方式来进行在时间上分离的检测。从而比如可以采用一种时间测量方案，其中以预先给定的间隔来检测温度，相反在剩余的时间和/或在其他间隔中至少暂时地检测该能斯脱单元的信号。比如可以采用一个时间测量序列，其中用于检测能斯脱单元信号的测量阶段和温度测量阶段以预先给定的时间间隔来交替。但可替换地，如果记录温度的下降，那么也可以把测量方案与需求相匹配，比如通过对温度频繁地实施测量。不同的扩展方案也是可以的。代替其中温度感测器和能斯脱单元至少部分一致的扩展方案，该温度感测器和能斯脱单元也可以至少部分分离地来构造。那么该控制装置可以设置用于分离地检测气体的温度和能斯脱单元的信号。这种分离的检测可以以不同的方式来进行。如果在此采用仅需要两个联接触点的接线，那么这通常是尤其优选的。这也是该装置的一个特别优点，其中该温度感测器和该能斯脱单元至少部分地是一致的，因为在该情况下提供一个共同的接触部。
但是在能斯脱单元和温度感测器至少部分分离构造的情况下，也可以优选地组合联接触点，使得通常优选地该传感器元件作为具有仅两个联接触点的传感器元件来构造。 比如这可以如此来进行，即该能斯脱单元设置在该传感器装置的电路的至少一个第一支路中，并且该温度感测器设置在该电路的至少一个第二支路中。该第一支路和第二支路那么就可以优选地并联连接，使得两个支路可以通过两个共同的联接触点来接触。在这种并联连接的情况下，能斯脱单元的信号和温度感测器的信号的分离可以以不同的、对于专业人员原则上已知的方式来进行。比如可以进行频率选择分析。比如这可以通过如下方式来进行即温度测量在高于100Hz、尤其高于IkHz的频率处来进行，相反，能斯脱单元的信号的检测仅在低于100Hz、比如仅在至IOHz的频率处来进行。由此可以分离不同的信息。比如可以如此来促进这种分离，即附加地在该第二支路中、也即在其中设置有温度感测器的支路中接入至少一个容性元件。比如所述至少一个容性元件可以与该温度感测器比如该热敏电阻串联连接。比如该容性元件可以包含有至少一个电容器，比如印刷电容器。利用在第二支路中具有至少一个容性元件的这种构造，该第二支路在低的频率下阻塞， 使得在低的频率下的信号可以很大程度地明确地分配给该第一支路、也即包含有能斯脱单元的支路。明显有利的是，该能斯脱单元的参照由于该电容器而没有或者以明显较微小的程度来排空。较高频信号可以与此相应地很大程度地明确地分配给该第二支路，也即作为温度信号来识别。为了进一步促进该分离，在该第一支路中附加地还可以接入至少一个感性元件。该感性元件比如可以包含有线圈。该感性元件尤其可以与该能斯脱单元相串联连接。从而该能斯脱单元的并联电阻并不严重影响该温度感测器比如该热敏电阻的电阻的测量精确性，使得该热敏电阻的电阻的完全精确性可以被利用。该温度感测器原则上可以比如以上述一种或多种方式完全或部分地集成在该传感器元件本身中。但代替地或者附加地原则上也可以把该温度感测器完全或部分地与该传感器元件相分离来构造。从而该温度感测器比如可以具有单独的、比如商业上可用的部件来作为可分离的单元，其中该单元与该传感器元件相连接，比如连接到该传感器元件。这比如可以通过传导电缆的夹紧或焊接来进行或者通过材料连接进行。不同的扩展方案也是可以的。如上所述，除了该传感器装置之外，还推荐了一种传感器元件，该传感器元件设置用于应用于根据一个或多个前述实施方案的本发明的传感器装置中。上述的传感器装置可以与此相应的通过采用一个或多个下述的传感器元件在一个或多个所述实施变化方案中来改进。但代替地或者附加地原则上也可以采用其他类型的传感器元件，比如如上所述采用没有自己的温度感测器的传感器元件，其中该传感器装置附加地包含有这种外部的温度感测器。该传感器元件优选地作为双触点传感器元件来构造，从而优选地仅具有两个联接触点。但原则上具有更大数量联接触点的传感器元件也是可以的。在所推荐的传感器元件中，该温度感测器优选地至少部分地作为热敏电阻来构造。这意味着，该温度感测器包含有至少一个热敏电阻。此外该温度感测器在必要时也可以包含有其他类型的温度感测器。该温度感测器、尤其该热敏电阻包含有至少一个与该第二电极电连接的内电极，也即同样设置在该参照气体室中的电极。所述至少一个内电极可以与该第二电极分离地来构造，并仅仅与该第二电极电连接。但优选地该内电极与该第二电极至少部分地相一致。比如可以为该内电极和第二电极使用同一个电极。另外该温度感测器还包含有至少一个与该第一电极至少部分不同的外电极。该外电极比如可以再次设置在该传感器元件的层结构的朝向该测量气体室的表面上，并且可以与该测量气体室相连接，或者与之分离地来构造。但如果该外电极直接或间接比如通过多孔保护层而暴露于测量气体室中的气体中，那么这是优选的。 在此，该内电极和外电极优选地通过与该固体电解质至少部分不同的至少一种电阻材料相连接。该电阻材料比如可以是具有负温度系数的电阻材料，或者包含有这种材料。 在此采用了不同的电阻材料。尤其可以采用金属氧化物材料，其已知具有负温度系数的电阻。比如使用镱铽X混合氧化物，其中X比如可以包含钐和/或钆。这种电阻材料比如在 EP 0 810 611 Al中被公开。在本发明的范畴内也可以参考其中所述的电阻材料。如果与固体电解质相分离构造的电阻材料被用于该热敏电阻，那么就存在不同的可能来把该电阻材料加入到该传感器元件中。该电阻材料尤其可以嵌入到载体材料比如载体层中。这比如可以如此来进行，即该载体材料比如该载体层具有相应的开口，在该开口中加入该电阻材料。所述加入比如可以如此来进行，即把预先制造的电阻材料层区段引入到该载体材料的开口中。但代替地或者附加地也可以采用粘贴技术，比如印刷技术、刮板技术等等，其中该电阻材料被加入到该载体材料层的开口中。该载体材料比如可以就是固体电解质本身。从而比如可以在固体电解质薄膜中冲压和/或切割入相应的开口，其中该开口应该容纳该电阻材料。该固体电解质和该电阻材料可以分离地被优化。但代替地或者附加地该载体材料也可以包含有与该固体电解质不同的另一材料。比如该载体材料可以是一种绝缘材料，比如Al2O3和/或其他类型的绝缘材料。在这种情况下，该固体电解质比如可以同样完全或部分地嵌入到该载体材料中，比如又通过一种或多种上述的嵌入技术。该传感器元件优选地作为双触点传感器元件来构造。与此相应，如果该能斯脱单元和该热敏电阻电并联连接，那么在本发明的范畴内这是尤其优选的。这种并联连接优选地直接在该传感器元件上来进行，因为这样就可以节省联接触点。这比如可以如此来实现， 即该传感器元件包含有一个第一联接触点，该联接触点与该第一电极和外电极相电连接， 并且另外还具有一个第二联接触点，该联接触点与该第二电极和内电极相电连接。在此可以把上述的电路划分为两个支路，其中在第一支路中设置有能斯脱单元，在该第二支路中设置有该温度感测器或热敏电阻。上述的与该温度感测器、尤其该热敏电阻串联连接的可选容性元件和/或所述至少一个可选的与该能斯脱单元串联连接的感性元件也可以完全或部分地直接集成在该传感器元件中。从而该传感器元件可以包含有这种与该热敏电阻串联连接的容性元件和/或与该能斯脱单元串联连接的感性元件。该容性元件和/或该感性元件在此比如可以完全或部分地作为印刷元件来构造，比如作为印刷电容器和/或印刷线圈来构造。因为印刷线圈通常具有非常小的电感，所以这种印刷线圈尤其可以用于用高的测量频率来测量，尤其用于测量温度信号。代替地或者附加地该容性元件和/或该感性元件也可以借助分立部件来构造。总之这样就可以如上所述来容易地实现在能斯脱单元信号和温度信号之间频率选择性的分离。所推荐的传感器装置和所推荐的传感器元件相对于已知的传感器装置和已知的传感器元件而具有一系列的优点。从而该传感器元件可以用微小的结构空间来实现，尤其在把温度感测器集成在该传感器元件中的情况下。与两个分离的尾气传感器相比，这样可以实现紧凑和造价合理的传感器元件。这尤其在两轮车应用中可能是决定性的优点，其中这种传感器元件比如必须安装在小发动机的弯管和/或缸盖中。因为优选完全地省略了在该传感器元件中的加热单元，比如以不加热的拉姆达探测器的形式，所以该传感器元件和该传感器装置特征是小的能量需求。这种小的能量需求、比如以小电流消耗的形式尤其在具有有限供能容量的应用中、比如在有限电池容量的应用中又具有决定性的意义。因此该传感器装置和该传感器元件特征还尤其在于在两轮车应用中的应用。另一优点在于，借助前面所推荐的概念尤其可以实现双极传感器元件，也即仅具有两个联接触点的传感器元件。从而实现了更简单的布线，并且在组件构造以及控制设备中都可以获得造价优点。其他的优点是，联接触点通常应该在技术上非常费事地被制造。尤其在层构建时必须通过穿通接触部来电连接深处的层。但这种穿通接触部可能为错误源， 并且在传感器元件制造时可能使废品增加。就此而言，通过所推荐的传感器元件的概念可以简化制造方法，并且可以制造造价更合理并且更鲁棒的传感器元件。所推荐的传感器元件和传感器装置的另一优点是，借助同一个传感器元件可以检测两个对于发动机控制有关的测量量，也即温度和能斯脱单元的信号(比如拉姆达值)。通过这种集成从而同样可以实现造价优点。另一方面这样检测的能斯脱单元的信号、比如拉姆达信号可以以简单并仍旧可靠的方式来分析。从而比如可以简单地评估所测量的拉姆达信号的有效性，其方式是，比如仅高于确定阈值温度测量值才被识别为可靠地可分析的。与常规的传感器元件和传感器装置相比而变化的并在必要时提高的对分析的要求比如可以通过对控制装置的相应扩展、比如对控制设备的程序技术上的扩展而容易地被实现。从而比如可以容易地实现信号处理的上述间隔运行，其中在间隔运行时在温度测量和能斯脱测量(比如拉姆达测量)之间进行变换。还能够简单而造价合理地比如通过特性曲线和/或特性曲线族来实现在调节和控制之间的变换，而不需要额外的传感器来进行温度检测。
在附图中示出了本发明的实施例，并在下文说明中来更详细解释。其中
图1示出了根据本发明的一种传感器装置的一个第一实施例； 图2示出了根据本发明的一种传感器装置的一个第二实施例，其具有根据本发明的传感器元件的一个第一实施例；
图3示出了根据本发明的一种传感器装置的一个第三实施例，其具有根据本发明的传感器元件的一个第二实施例；
图4示出了在图1至3和图6中的传感器装置的等效电路图； 图5示出了在图2和3中传感器元件的一种可能的扩展方案的表面的俯视图；以及图6示出了根据本发明的一种传感器装置的一个第四实施例。
具体实施例方式在下文中，在不限制其他可能的扩展方案的情况下，本发明参照拉姆达探测器来进行阐述，其中借助该拉姆达探测器应该确定在测量气体室110中的氧气份额。根据本发明，在此推荐了传感器装置112，其包含有至少一个控制装置114和至少一个传感器元件 116，其通过在图中仅象征示出的接口 118相互连接。该控制装置114在此在图1、2、3和6 中仅象征地示出。该控制装置114比如可以包含有一个或多个电压测量装置以检测能斯脱电压、和/或一个或多个电流源、和/或电压测量装置以检测热敏电阻的电阻、和/或其他的测量装置、和/或电流源和/或电压源。这种控制装置114的电子构造是专业人员原则上已知的，或者可以借助以下的说明而对于专业人员是易懂的。另外该控制装置114还包含有相应的分析装置，该分析装置如下所示可以进行信号分析。为此目的，该控制装置114 比如可以包含有一个或多个数据处理设备和/或数据存储器，其中该数据处理设备比如可以在编程技术上来设置，以进行所述的分析。该数据处理设备和/或该数据存储器比如可以完全或部分地是发动机控制设备的组成部分。该传感器装置112在此可以参考原则上已知的传感器元件，并根据本发明来使用它们。比如传感器元件116可以在根据现有技术的图1和图6的实施例中来构造。但代替地或者附加地也可以在传感器装置112的范畴内来采用根据本发明的传感器元件116，也即传感器元件116，它们尤其进行变化并尤其适合于实施本发明的想法。根据本发明的传感器元件116的这种实施例在图2、3和5中示出。在所示实施例中的传感器元件116包含有能斯脱单元120。该能斯脱单元120包含有直接或通过一个(在图中未示出)透气的保护层而暴露于测量气体室110中的第一电极 122，该电极在所示的实施例中被表示为AE (外电极)。另外该能斯脱单元120还包含有第二电极124。该第二电极124在所示的实施例中设置在与该测量气体室110相分离地、设置在传感器元件116内部的参照气体室126中。该参照气体室126比如作为空气参照来构造，比如作为与汽车的发动机室或者其它外室相连接的参照通道。另外，能斯脱单元120还包含有连接该第一电极122和第二电极124的固体电解质128。该固体电解质128比如如上所述可以包含有YSZ和/或ScSZ和/或掺杂其他金属氧化物的&02。但其他的材料和/或材料组合原则上也是可以的。因为通常固体电解质128的电解的电导率随着温度上升而增大，所以该固体电解质128以一定方式体现为具有电阻负温度系数的材料(NTC材料)。该固体电解质128与此相应地在附图中用NTC1来表示。该第一电极122和第二电极124在所示的实施例中通过联接导线130、132并通过在传感器元件116上所设置的联接触点134、136与该接口 118相连。另外该传感器装置112还包含有至少一个温度感测器138。该温度感测器138在此在所有的例子中示例地作为热敏电阻140来构造，也即作为其电阻值与测量气体室110 的气体温度相关的电阻。如在图1至6所示，该传感器装置112和该传感器元件116的实施例在此在该温度感测器138的配置和构造方面是不同的。在此，图1至3和6示出了四个不同的传感器装置112的实施例，其分别具有温度感测器138的不同构造和配置。在所有情况下都采用热敏电阻140，其包含有电阻材料142，该材料比如具有负的温度系数(NTC)。 与固体电解质128不同，该电阻材料142在附图中用NTC2来表示。该传感器装置112的这四个实施例在下文中进行简述。在图1中示出了传感器装置112的一个第一实施例，其中该固体电解质128比如可以包含有钇稳定氧化锆。在此，如同在其他实施例中一样，电极122、124比如可以作为金属陶瓷电极来构造，比如作为钼金属陶瓷电极。能斯脱单元120包含有第一电极122(外电极，AE)、固体电解质128和第二电极124 (内电极，IE)，该能斯脱单元120同时也被用作温度感测器138，并从而构成了与温度有关的电阻元件(热敏电阻140)，该电阻元件被用作阻性温度感测器。该控制装置114比如可以设置用于在间隔中交替地检测在能斯脱单元120 上的能斯脱电压(直流电压)以及，对此交替地检测在测量气体室110中的温度，该温度通过该热敏电阻140的电阻来体现。该控制装置114比如可以如上所述来如此设置，使得仅评估该能斯脱单元120的高于预先给定阈值温度的拉姆达信号。其他的分析方法在考虑测量气体室110中温度的情况下也是可以的。在图1的实施例中，从而该固体电解质128的材料同时被用作热敏电阻140的电阻材料142。由此能够实现该传感器元件116的非常简单的构造。通过温度测量和能斯脱电压测量的时间序列，可以避免测量的互相干扰。但图1的传感器装置112的缺点是，在这种情况下必须对该电解质128的材料特性进行同时的优化，以不仅用作载体材料，而且用作氧离子导体以及用作电阻材料128。由此可能得到较小的精确度和传感器动态。在图2中从而示出了传感器装置112的一个实施例，其克服了这个缺点。在此所使用的传感器元件116在原理上很大程度地相应于图1的传感器元件116。但与那里所示的构造不同，该温度感测器138和该能斯脱单元120分离地来构造。该温度感测器138在该参照气体室126中包含有在该实施例中与该第二电极124 —致的或相组合的内电极144， 然而包含有与该第一电极122分离构造的、暴露于参照气体室110中的外电极146。另外该温度感测器138还包含有电阻材料142，其把该内电极144和外电极146相互连接。该电阻材料142在该实施例中与该固体电解质128的材料相分离。该固体电解质128在此用作载体材料148尤其作为载体层，其中加入了该电阻材料142。比如该固体电解质128可以作为陶瓷薄膜来构造，并且该电阻材料142可以作为热敏电阻材料而被嵌入到该载体材料148 中。该电阻材料142可以与此相应地来优化，以在相关的尾气温度范围内比如在300° C和 1000° C之间来对温度进行优化。该电阻材料142与此相应地在图2中用NTC2来表示。这种被优化的电阻材料142在现有技术中已经作为在单个温度感测器中的材料而是已知的。 对于图2的实施尤其适合的比如是Y-Tb-X混合氧化物，其中X比如可以是钐和/或钆。这种材料可以在直至高于1100° C的温度下用作热敏电阻。这种材料的优点是，其不具有相变，使得它与该固体电解质128的典型陶瓷相兼容，并尤其还能与之同时地制造，比如通过所谓的混烧。该电阻材料142尤其可以借助一种或几种以下的陶瓷制造工艺而被加入到该载体材料148中，比如加入到该YSZ载体薄膜中作为镶嵌或冲压物而嵌入到该载体材料 148中(所谓的生膜技术)和/或作为胶或挤出物质用于填充到为此而设置的凹槽中。所加入的电阻材料142、比如NTC2镶嵌可以通过其他的措施附加地相对于该载体材料148而被密封。比如可以可选地通过玻璃化来进行密封。该热敏电阻140或其电极144、146的接触可以通过同样的联接导线130、132来进行，其还被用于接触第一电极122和第二电极124。一个相应的电子电路的实施例在下文中借助图4和5来解释。该传感器装置112的在图2中所示的实施例相对于图1中的实施例所具有的优点是，该电阻材料142可以有目的地针对温度测量而选择，并从而可以与该固体电解质128相分离地进行优化。该电阻材料142的设计在此应该高欧姆地来构造，使得可选地作为参照气体通道而构造的参照气体室126的临界电流不被能斯脱单元的短路电流超过。这样就可以有效避免出现CSD (特征下移，比如由于富气而使第二电极124充电)。总之通过与固体电解质128无关地分离地优化电阻材料142能够实现温度测量的更高的精确度，并从而实现该传感器装置112的整体测量的更高精确度。在图2的传感器装置112和传感器元件116的实施例中，该固体电解质128本身用作载体材料148，其中加入了电阻材料142，比如作为镶嵌。但从而该固体电解质128通常还必须同时在两个要求上而被优化，也即在载体功能上和在固体电解质功能上。但在此通常存在目标冲突，该目标冲突是，增加的离子传导性在很多情况下必须以降低的机械强度为代价。与此相反，图3示出了传感器装置112以及本发明的传感器元件116的一个实施例，其中该固体电解质128也嵌入到与该固体电解质128相分离构造的载体材料148中。 在其他方面，该实施例很大程度上对应于图2的实施例，使得可以很大程度上参见该图的说明。作为载体材料148比如可以采用一种电气绝缘的陶瓷载体，比如Al2O315那么该固体电解质128和该电阻材料142就可以分离地被优化，其中该固体电解质128可以针对离子传导、比如氧离子传导、和/或拉姆达值确定而被优化，并且该电阻材料142可以针对温度测量而被优化。该固体电解质128和电阻材料142比如可以再次分离地加入到该载体材料 148中，比如加入到载体薄膜中。对于加入技术可以参见按照图2的加入电阻材料142的上述说明。这样，通过有目的地选择材料，不仅针对借助能斯脱单元120的拉姆达测量，尤其在精确度、动态和低温特性方面，而且针对借助热敏电阻140的温度测量，尤其在在大测量范围上的精确度方面，可以实现功能优点。同时该载体材料148可以改善为最佳的强度以及必要时比如在绝缘特性方面的其他特性。在图2和3的实施例中，该能斯脱单元120和热敏电阻140尤其可以并联连接。这比如可以根据在图4和5中所示的实施方案来进行。在此图4示出了由能斯脱单元120和热敏电阻140组成的并联电路的等效电路图，图5示出了在图2和3中所示的传感器元件 116的实施例的一种可能变型的朝向测量气体室110的表面俯视图。在此能斯脱单元120 和温度感测器138在该传感器装置112的电路中如此来相互连接，使得其接入到不同设置的支路150、152中。在此，能斯脱单元120接入到该电路的第一支路150中，相反该热敏电阻140接入到与该第一支路150并联连接的第二支路152中。另外在该第二支路152中可选地接入了以比如印刷电容器形式的容性元件154，其中该电容器与该热敏电阻140串联连接。该热敏电阻140从而在该实施例中通过一个串联电容器与能斯脱单元120并联连接。 对于该容性元件154比如提供了 IOOpF至1 μ F的电容，优选约为InF。对于电容的这种优选选择，保持获得该能斯脱单元120的DC分析，因为在低频下该第二支路152截止。通过该第二支路152避免了该能斯脱单元120的短路。那么就可以在比如高于IkHz的频率下来进行温度测量，相反，仅在直至IOHz来分析该拉姆达测量。由此能够分离信息。另外，在接入能斯脱单元120的第一支路150中，还可以接入感性元件156，这在图4中象征性地示出，并比如也可以在图5的实施例中和/或在图2和3的实施例中来实现。在图4所示的等效电路图中，在此该能斯脱单元120象征性地通过一个能斯脱电压源 158 (用Un来表示)以及与该能斯脱电压源158串联连接的固体电解质128来表示。通过在该电路的第一支路150中加入该感性元件156，该固体电解质128的电阻相对于该热敏电阻140的电阻材料142的电阻没有或者仅微不足道地影响该热敏电阻140的测量精确度，并且该热敏电阻140的整体测量精确度可以被利用。在图4和5的实施方案中，把能斯脱单元120和温度感测器138并联连接的电路全部接入到该传感器元件116中或上。这比如可以通过相应印刷的联接导线130、132来进行。另外该温度感测器138完全集成在该传感器元件116中。但与此不同的扩展方案原则上也是可以的。这种不同的扩展方案的一个例子在图6中示出，其再次示出了具有传感器元件116的传感器装置112。在此在所述实施例中的该传感器元件116比如很大程度上对应于图1的传感器元件116。就此而言比如可以参见上文的说明。但与图1的实施例不同的是，在图6所示的实施例中该能斯脱单元120没有同时也用作温度感测器138。如在图2 和3中所示，也没有设置集成在该传感器元件116中的温度感测器138，而是作为单独的、 未集成的元件而构造的温度感测器138比如热敏电阻140。从而比如可以作为温度感测器 138而采用一种单独的以及商业上可用的元件。该温度感测器138比如可以作为可分离的单元连接到该传感器元件116上。这比如可以通过传输电缆的夹紧或焊接来进行，和/或通过材料连接、比如利用在该陶瓷衬底上能斯脱单元120的印刷引线130、132。与图4和5中的实施例相类似，比如可以利用两个并联连接的支路150、152来再次进行该温度感测器138和能斯脱单元120的并联连接，如在图6中所示。也可以再次可选地在该第二支路152设置容性元件154，和/或在该第一支路150中设置(在图6中未示出的)感性元件156，其再次可以与该温度感测器138以及该能斯脱单元120相串联连接。在图6中所示实施例的一个优点是，对于制造该传感器元件116所需的陶瓷工艺可以被大大简化。从而在制造该传感器元件116时不必一定尤其把该电阻材料142和/或该容性元件巧4和/或该感性元件156烧结在一起。另外也可以避免上述的密封问题，其中该问题典型地在该电阻材料142集成在能斯脱单元120或传感器元件116的层构造中时产生。在图4、5和6的实施例中，该容性元件巧4和/或该感性元件156比如可以作为印刷元件来实施。从而比如可以有利地作为厚层元件比如借助彼此叠置的和/或在一个平面中所设置的印刷层直接在该传感器元件116上来构造电容器。在此，比如可以在第一电极平面上比如钼平面上印刷Al2O3层和/或另一绝缘材料的层，尤其是具有相对高介电常数 ε r的一种材料。接着可以在该构造上印刷第二电极平面比如第二钼平面，使得形成一个三明治构造，该三明治构造用作容性元件154。该感性元件156可以以类似的方式通过印刷技术来生成。在图1至6的所示实施例中的该传感器元件116可以以常规的方式比如集成在一个(图中未示出的)探测器机壳中。比如可以采用具有12mm或18mm螺纹的探测器机壳，也即比如常规的尾气探测器的螺纹大小。该传感器元件116尤其可以作为双极传感器元件 116、也即作为具有仅两个联接触点134、136的传感器元件116来构造，使得比如可以采用双极探测器机壳。这样就可以实现体积小的、造价合理的以及简单而鲁棒地可制造的传感器元件116，它可以与该控制装置114一起共同作为传感器装置112而被应用在比如两轮车应用中。
权利要求
1.一种用于检测在测量气体室(110)中气体的至少一个特性的、尤其用于确定气体组分的份额的传感器装置(112)，其中该传感器装置(112)包含有至少一个传感器元件 (116)，其中该传感器元件(116)具有至少一个能斯脱单元(120)，该能斯脱单元具有至少一个能够被施加来自测量气体室(110)的气体的第一电极(122)、至少一个设置在参照气体室(126)中的第二电极(124)和至少一个把该第一电极(122)和第二电极(124)相连接的固体电解质(128)，其中该传感器装置(112)具有至少一个温度感测器(138)，用于检测在该测量气体室(110)中气体的温度，其中该传感器装置(112)包含有至少一个控制装置 (114)，并设置用于检测该能斯脱单元(120)的信号并在考虑温度的情况下对其进行分析。
2.根据前一权利要求所述的传感器装置(112)，其中该能斯脱单元(120)的信号的分析按照阈值方法来进行，尤其如下阈值方法，其中仅当该温度高于至少一个阈值温度时才分析该能斯脱单元(120)的信号。
3.根据前述权利要求之一所述的传感器装置(112)，其中该温度感测器(138)和该能斯脱单元(120)至少部分地是一致的，其中该控制装置(114)设置用于实施该温度的检测并且时间上分离地实施该能斯脱单元(120)的信号的检测。
4.根据权利要求1至3之一所述的传感器装置(112)，其中该温度感测器(138)和该能斯脱单元(120)至少部分分离地来构造。
5.根据前一权利要求所述的传感器装置(112)，其中该能斯脱单元(120)设置在该传感器装置(112)的电路的至少一个第一支路(150)中，其中该温度感测器(138)设置在该电路的至少一个第二支路(152)中，其中该第一支路(150)和该第二支路(152)并联连接。
6.根据前一权利要求所述的传感器装置(112)，其中该控制装置(114)设置用于通过频率选择的分析来分离该能斯脱单元(120)的信号和该温度感测器(138)的信号。
7.根据前述两个权利要求之一所述的传感器装置(112)，其中在该第二支路(152)中附加地接入了至少一个容性元件(154)。
8.根据前述三个权利要求之一所述的传感器装置(112)，其中在该第一支路(150)中附加地接入了至少一个感性元件(156)。
9.一种用于检测在测量气体室(110)中气体的至少一个特性的、尤其用于确定气体组分的份额的传感器元件(116)，其中该传感器元件(116)具有至少一个能斯脱单元(120)， 该能斯脱单元具有至少一个能够被施加来自测量气体室(110)的气体的第一电极(122)、 至少一个设置在参照气体室(126)中的第二电极(124)和至少一个把该第一电极(122)和第二电极(124)相连接的固体电解质(128)，其中该传感器元件(116)包含有至少部分作为热敏电阻(140)来构造的温度感测器(138)，并具有至少一个与该第二电极(124)电连接的内电极(144)和至少一个与该第一电极(122)不同的外电极(146)，其中该内电极(144)和该外电极(146)通过至少一种与该固体电解质(128)至少部分不同的电阻材料(142)相连接。
10.根据前一权利要求所述的传感器元件(116)，其特征在于，该第二电极(124)与该内电极(144)至少部分地是一致的。
11.根据权利要求9或10之一所述的传感器元件(116)，其特征在于，该外电极(146) 能够暴露于该测量气体室(110)中的气体中。
12.根据权利要求9至11之一所述的传感器元件(116)，其中该电阻材料(142)嵌入到载体材料(148)中。
13.根据前一权利要求所述的传感器元件(116)，其中该载体材料(148)是该固体电解质(128)。
14.根据权利要求12所述的传感器元件(116)，其中该载体材料(148)是绝缘材料，尤其是Al2O3，其中该固体电解质(128)同样嵌入到该载体材料(148)中。
15.根据权利要求9至14之一所述的传感器元件(116)，包含有一个第一联接触点 (134)，其中该第一联接触点(134)与该第一电极(122)和该外电极(146)电连接，另外还包含有一个第二联接触点(136)，其中该第二联接触点(136)与该第二电极(124)和该内电极 (144)电连接。
16.根据权利要求9至15之一所述的传感器元件(116)，另外还包含有至少一个与该热敏电阻(140)串联连接的容性元件(154)，尤其是印刷的电容器。
17.根据权利要求9至16之一所述的传感器元件(116)，另外还包含有至少一个与该能斯脱单元(120)串联连接的感性元件(156)。
全文摘要
本发明推荐了用于检测在测量气体室(110)中气体的至少一个特性的、尤其用于确定气体中气体组分的份额的传感器装置(112)。该传感器装置(112)包含有至少一个传感器元件(116)。该传感器元件(116)具有至少一个能斯脱单元(120)，该能斯脱单元具有至少一个能够施加来自测量气体室(110)的气体的第一电极(122)、至少一个设置在参照气体室(126)中的第二电极(124)和至少一个把该第一电极(122)和第二电极(124)连接的固体电解质(128)。该传感器装置(112)具有至少一个温度感测器(138)，以检测在该测量气体室(110)中气体的温度。另外该传感器装置(112)还包含有至少一个控制装置(114)，并设置用于检测该能斯脱单元(120)的信号并在考虑温度的情况下对其进行分析。
文档编号G01N27/406GK102257383SQ200980151696
公开日2011年11月23日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年12月22日
发明者施奈德 J., 迪尔 L. 申请人:罗伯特·博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
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