具有兩個泵單元的用於測量氧化氮的固體電解質傳感器的製作方法

2023-05-17 20:42:41

專利名稱：具有兩個泵單元的用於測量氧化氮的固體電解質傳感器的製作方法
具有兩個泵單元的用於測量氧化氮的固體電解質傳感器
背景技術：
在不斷推進的環境立法的過程中，對傳感器的需求在增加，藉助於所述傳感器也可以可靠地確定極小的有害物質量。在此，首先能夠確定ppm範圍內的氣態的有害物質的測量方法起很大作用。但是在此尤其燃燒廢氣中的非氧氣體主要NOx (氧化氮)的含量的確定由於同時存在的氧氣份額而代表著特殊的挑戰。這尤其對於可能作為隨車診斷(0BD傳感器)的使用以滿足未來的廢氣立法要求的情況來說是重要的，因為在這種前後關係中比如為氧化氮規定了極限值，所述極限值處於當前可得到的固體電解質氣體傳感器的分辯限度之內。為了測量非氧廢氣主要是NOx的較小的氣體濃度，在存在氧氣背景的情況下，在此尤其使用基於二氧化鋯的固體電解質傳感器。在此比如可以存在多個通過擴散屏障來彼此分開的區段或者腔室。在一個或者多個第一電極處移除氧氣。由此隨後理想地在接下來的腔室中不再存在氧氣，使得在這些腔室中存在的電極現在可以分解氧化氮並且可以將從中產生的氧氣作為離子流泵送給基準電極或者其它電極。在此測量與此相應的很小的電流並且該電流比如是用於廢氣中的氧化氮濃度的尺度。從本申請的申請人的後來公開的具有編號DE 10 2008 040 314. 8和DE 10 2008004 374. 3的德國的專利申請中公開了用於確定氣體混合物中的氣體成分的傳感器元件和方法。在此提出一種用於測量微小濃度的氣體成分的方法，對於該方法來說藉助於泵單元通過泵送到氣密的腔室中這種方法來使與有待測量的氣體成分的濃度相當的量的氧氣濃縮。在此確定直至達到所濃縮的氣體的特徵性的濃度閾值時的時間間隔。隨後又通過泵送在所述氣密的腔室中產生所定義的初始狀態。但是，已知的方法和裝置的問題在於，布線通常十分麻煩。尤其為了控制上面所描述的DE 10 2008 040 314. 8和DE 10 2008 004 374. 3的用於分開傳感器元件的不同的功能單元的方法而使用無電位的用於進行電壓及電流測量的測量儀，以避免這些功能單元之間的串擾。

發明內容
相應地提出一種方法和一種裝置，所述方法和裝置至少在很大程度上避免已知的方法和裝置的缺點。所述方法尤其可以在使用按本發明的裝置的情況下來實施，並且/或者所述裝置可以設置用於實施按本發明的方法。相應地對於所述裝置的可能的設計方案來說可以參照所述方法的說明並且反之亦然。在本發明的第一方面中，提出一種用於檢測測量氣體室中的至少一種氣體成分的份額的方法。所述測量氣體室比如可以是內燃機的排氣歧管。相應地可以在該測量氣體室中接納氣體比如廢氣。至少一種氣體成份的份額在此比如可以是該氣體成分的絕對的百分比份額和/或分壓力。所述氣體成分尤其可以是以很小量的在測量氣體室中的氣體中存在的氣體成分，比如是非氧氣體，尤其是含氧的氣體化合物，比如NOx和/或CO和/或C02。在所述方法中使用至少一個傳感器元件。該傳感器元件包括至少一個用於使氣體成分濃縮的氧還原-泵單元。濃縮在此一般在本發明的範圍內是指移除至少另一種氣體成分。比如這會導致這一點，即雖然有待檢定的氣體成分的濃度在總體上至少幾乎(比如除了損失之外)保持相同，這比如通過分壓力和/或每容積的質量(比如kg/m3)來表示，但是有待檢定的氣體成分的在總的氣體混合物中的份額上升。比如有待檢定的氣體成分與氣體混合物的其餘的成分之間的濃度比例和/或有待檢定的氣體成分的摩爾分數上升。這種濃縮尤其可以通過以下方式來進行，即藉助於所述氧還原-泵單元來移除氧氣和/或其它的包含在測量氣體室中的氣體中的氣體成分或者至少使其還原。濃縮由此也可以尤其是指一種特定的氣體成分比如氧氣的還原。一般來講，在此下面在不限制其它可能的設計方案的情況下，基本上參照傳導氧離子的固體電解質來對本發明進行說明。在這種情況下，如果在本發明的範圍內談及「氧」， 實際上是指氧這種元素，其中氧原則上可以以不同的形式存在，比如作為離子或者作為分子的氧存在。但是原則上也能夠使用其它種類的固體電解質。比如原則上作為傳導氧離子的固體電解質的替代方案或者補充方案也可以使用傳導其它種類的離子的固體電解質比如質子導體或者氮離子導體。在這種情況下「氧」這個概念一般應該被相應的元素所取代，比如在使用質子導體時被氫取代並且在使用氮離子導體時被氮所取代。單元(ZelIe)在此一般在本發明的範圍內是指一種結構，該結構包括至少兩個電極和至少一個將所述電極連接起來的固體電解質。固體電解質在此在本發明的範圍內是指一種具有傳導離子的特性的固體。所述傳導離子的特性在此尤其可以是指傳導氧離子的特性。這樣的固體比如以陶瓷的形式為人熟知。比如這裡可以列舉二氧化鋯，比如釔穩定的二氧化鋯(YSZ)和/或摻雜鈧的二氧化鋯。但是作為替代方案或者補充方案原則上也能夠使用其它的固體電解質。對於所述單元來說，原則上可以再次在泵單元與測量單元之間進行區分。但是，這些種類的單元首先在其結構方面沒有區別，而是「泵」或者說「測量」這種名稱涉及這些單元的後來的可能的使用情況。相應地，比如可以如此設計所述氧還原-泵單元，使得其具有至少一個腔室，該腔室能夠直接或者間接地用來自測量氣體室的氣體來加載。比如這至少一個腔室如下面還要詳細描述的一樣通過至少一個對氣體的氣流進行限制的擴散屏障與所述測量氣體室處於連接之中。所述氧還原-泵單元可以相應地比如具有至少一個布置在所述腔室中的內部泵電極以及至少一個通過至少一個固體電解質與所述內部泵電極相連接的對應電極。比如這個對應電極可以布置在所述測量氣體室中或者布置在其它的空間比如周圍空間中，從而可以藉助於所述氧還原-泵單元比如將氧氣或者其它有待移除的氣體種類從所述腔室中移除。也可以設置多個氧還原-泵單元和/或多個所提到的類型的腔室，比如用於以級聯的方式將特定的氣體種類比如氧氣從所述氣體中移除並且就這樣能夠以級聯的方式使有待檢定的氣體成分濃縮。此外，所述傳感器元件具有至少一個布置在所述氧還原-泵單元後面的設有至少兩個泵電極的泵單元。「布置在後面」在此在本發明的範圍內是指，可以向所述泵單元加載已經濃縮的氣體。比如所述泵單元的兩個泵電極中的第一泵電極布置在一個布置在前面提到的腔室後面的第二腔室中，該第二腔室比如通過至少一個擴散屏障或者以其它的方式與首次提到的腔室相連接。所述泵單元的這個第一泵電極在下面的說明中在不限制可能的有待檢定的氣體成分的情況下普遍稱為NO泵電極。
此外，所述傳感器元件具有至少一個氣密的腔室。所述泵電極中的至少一個泵電極也就是NO泵電極能夠用來自測量氣體室的通過所述氧還原-泵單元濃縮的氣體加載，而所述泵電極中的至少一個第二泵電極則布置在所述氣密的腔室中。氣密的腔室在此在本發明的範圍內普遍是指一種腔室，該腔室如此封閉，從而除了通過固體電解質進行輸送之外完全防止氣體或者氣體成分流向所述腔室或者氣體或氣體成分從所述腔室中流出(氣密地封閉的腔室)或者至少對其如此減緩，從而比如通過減緩了至少100倍、尤其減緩了至少1000倍這種方式，相對於其它的在所述方法中起作用的氣體交換過程可以忽略所述氣密的腔室的內部與該腔室的外界之間的氣體交換。尤其可以在時間標度(在該時間標度上進行所述方法的下面要詳細描述的階段)上忽略氣體交換。此外，至少一個測量電極布置在所述氣密的腔室中。這個測量電極可以是一個單獨的與布置在所述氣密的腔室中的泵電極分開的電極。作為替代方案或者補充方案，所述測量電極或者可以完全或者可以部分地與該氣密的腔室中的其它電極、比如與布置在該氣密的腔室中的泵電極合併。所述測量電極如下面要詳細描述的一樣可以與基準氣體室比如基準空氣通道中的基準電極一起形成測量單元。對於上面所描述的單元也就是氧還原-泵單元、泵單元和可選的測量單元來說，僅各個將這些單元的電極彼此連接起來的固體電解質沒有提及。所提到的單元的固體電解質可以彼此相連接，但是優選相對於彼此部分地或者尤其全部彼此電流隔離。為解決上面所描述的問題尤其為了改進信號質量並且為了簡化所述傳感器元件的所使用的控制的目的，按本發明提出，至少將所述氧還原-泵單元和所述泵單元彼此電流隔離。電流隔離在此在本發明的範圍內應該是指，所提到的單元沒有通過固體電解質材料彼此相連接。因此尤其所提到的單元也就是所述氧還原-泵單元和所述泵單元具有彼此分開的固體電解質層，也就是尤其這樣的固體電解質層，即所述固體電解質層彼此間沒有傳導離子的連接。因而一般來講，電流隔離的單元的固體電解質不應該如此彼此相連接，以致於可以從這些固體電解質之一將離子輸送到其它的固體電解質中或者相反。比如彼此電流隔離的單元的固體電解質可以通過至少一種至少在很大程度上排除離子輸送，比如至少100倍、優選至少1000倍、特別優選至少10000倍，限制離子輸送的絕緣材料來彼此隔離。另外，也可選可以存在所述彼此電流隔離的單元的固體電解質的電氣的絕緣。所提到的單元的電極尤其可以是金屬的電極。尤其這些電極可以包括至少一種貴金屬比如鉬和/或鈀和/或金。尤其可以使用金屬陶瓷電極，也就是具有陶瓷的份額和金屬份額的電極。在此所提到的電極中的一個或者多個可以具有催化的活性，也就是可以引起氣體成分的分解的活性。優選在此所述氧還原-泵單元的內部泵電極設有較小的催化的活性，從而在這個電極上優選不進行分解或者僅僅進行微小程度的分解。通過這種方式，比如可以將純氧從所述腔室中導出。比如可以使用PtAu金屬陶瓷電極。但是優選所述泵單元的NO泵電極也就是用來自測量氣體室的所濃縮的氣體來加載的泵電極設有較高的催化的活性。比如這裡可以使用PtRh金屬陶瓷電極。
所提出的方法具有以下優選先後實施的階段。在此所述階段可以直接彼此相連，或者可以設置其它的下面未列舉的階段。下面所描述的階段可以以所表明的順序來實施或者也可以以其它的比如相反的順序來實施。此外，單個的或者多個階段也可以比如在交替的方法中重複實施，在所述交替的方法中可以輪流實施所述方法階段。下面還要對實施例進行詳細描述。所述方法包括至少一個初始化階段。在所述初始化階段中通過泵送(Pumpen)在所述氣密的腔室中建立或者重建所定義的初始狀態。這種泵送比如可以通過上面提到的至少一個泵單元來進行。但是，作為替代方案或者補充方案可以設置至少一個另外的泵單元，該泵單元專門布置和/或設置用於所述初始化階段。這至少一個另外的泵單元可以完全或者部分與上面所描述的泵單元相同，但是也可以完全或者部分與上面所提到的泵單元分開。這另一個也可以稱為初始化泵單元的泵單元比如可以包括至少一個布置在所述氣密的腔室的內部的初始化泵電極，該初始化泵電極也可以完全或者部分與所述至少一個測量電極相同並且/或者也可以完全或者部分與所述泵單元的布置在所述氣密的腔室中的泵電極相同，但是該初始化泵電極也可以構造為單獨的初始化泵電極。第二初始化泵電極可以布置在所述氣密的腔室的外部，比如布置在所述測量氣體室中並且/或者布置在基準氣體室中，比如布置在上面提到的基準空氣通道中。所定義的初始狀態在此是指所述氣密的腔室的內部的一種至少大約已知的組成和/或一種以其它方式已知的氣氛。這尤其可以是指氧氣和/或其它的氣體成分的已知的濃度，並且/或者是氧氣和/或其它的氣體成分的已知的分壓力和/或絕對壓力。尤其可以如此建立或者重建所定義的初始狀態，從而尤其針對氧氣和/或其它的氣體成分，泵空所述氣密的腔室或者至少一直泵空到低於預先給定的壓力閾值或者分壓力閾值。此外，所提出的方法包括至少一個濃縮階段。在該濃縮階段中通過經由泵單元進行的泵送來使一定量的氧氣濃縮在所述氣密的腔室中。所述氧氣的量在此代表著氣體成分在測量氣體中的份額的尺度。如上面所解釋的一樣，該份額可以是以百分比計的絕對的濃度和/或分壓力。「代表著一種尺度」這個概念在此應該在本發明的範圍內來如此理解，即可以從氧氣的量中直接或者間接地倒推出所述測量氣體室中的氣體成分的份額。這比如可以根據經驗的、分析的或者半經驗的方法來進行。比如所述氣密的腔室中的氧氣的量可以允許通過已知的關係和/或相關曲線和/或相關表格來推斷出測量氣體中的氣體成分，尤其推斷出含氧的但是與分子的氧氣不同的氣體成分比如NOx和/或CO和/或C02。所述初始化階段和/或濃縮階段對於所提出的方法來說尤其可以在至少一個預先給定的時間段裡實施。比如可以關於這個時間段的絕對的長度來固定地預先給定這個時間段，或者也可以通過至少一個中斷標準來預先給定這個時間段，比如方法是一個或者多個測量值達到至少一個閾值。下面還要對實施例進行詳細解釋。在此，從測量電極的電位的曲線中來推斷出氣體成分的份額。所述測量電極的電位的曲線比如可以通過測量電極與至少一個基準電極之間的電位差來檢測。這個基準電極尤其可以布置在至少一個基準氣體室中。由此可以取代直接測量所述測量電極的在實際上難以測量的電位曲線的做法，而作為用於電位曲線的尺度來檢測測量電極與基準電極之間的能斯脫電壓的電壓曲線，這在本發明的意義上應該為電位曲線的概念所包含。電位曲線的檢測可以一次或者多次進行，比如在上面提到的階段中的一個或者兩個階段中和/或在所提到的階段之間進行。所述基準氣體室可以如上面所描述的一樣比如是一個封閉的基準氣體室，在該封閉的基準氣體室中至少在所述濃縮階段的時間段內比如以泵送的基準和/ 或基準氣體通道的形式能夠建立或者存在著所定義的氣體氛圍，其中所述基準氣體通道與所述傳感器元件的環境比如外界空氣處於連接之中。後一種方案下面也稱為基準空氣通道。在此可以以不同的方式從所述測量電極的電位曲線中推斷出氣體成分的份額。關於這一點尤其可以參照上面提到的具有編號DE 10 2008 040 314. 8和DE 10 2008 004374. 3的申請。相應地，比如可以確定直至達到所濃縮的氣體的特徵性的濃度閾值時的時間間隔。隨後比如又通過泵送在所述氣密的腔室中產生所定義的初始狀態。在此比如可以從所述直至達到特徵性的濃度閾值時的時間間隔中推斷出有待檢定的氣體成分的份額。由此，這個時間間隔的確定代表著一種如何可以從所述測量電極的在初始化階段和/或濃縮階段中的電位曲線中推斷出氣體成分的份額的實施例。但是，作為替代方案或者補充方案也可以使用其它方法，用於從所述測量電極的在初始化階段和/或濃縮階段中的電位曲線中推斷出氣體成分的份額。因此比如尤其可以在預先給定的具有持續時間、優選固定地預先給定的持續時間的時間段裡實施所述濃縮階段。在此可以從所述電位曲線的終值中推斷出所述氣體成分的份額。比如可以在預先給定的時間間隔結束時，也就是在濃縮階段開始之後的持續時間AtAffi期滿之後，檢 測測量電極與與基準電極之間的能斯脫電壓的終值。為此目的，比如可以存在著控制器，比如設置在包括所述傳感器元件的裝置中的控制器，該控制器可以包括電壓測量裝置。作為替代方案或者補充方案，又可以實施一種方法，其中在預先給定的具有持續時間、優選固定地預先給定的持續時間的時間段裡實施所述濃縮階段。但是在此將電位曲線尤其總電位曲線轉換為至少一個對電位曲線來說特徵性的參量，其中可以從所述特徵性的參量中推斷出所述氣體成分的份額。這個特徵性的參量比如可以包括以下特徵性的參量中的一個或者多個電位曲線的平均值；在電位曲線上的積分；在電位曲線與基準曲線、優選具有恆定的函數值的基準曲線之間的差值曲線上的積分。如上面所解釋的一樣並且如在本發明的範圍內在總體上所使用的一樣，電位曲線這個概念又可以普遍地包括電位差，比如測量電極與基準電極之間的能斯脫電壓。在另一種又同樣可以作為替代方案或者補充方案來實施的方法變型方案中，可以在預先給定的具有持續時間Atrai、優選固定地預先給定的持續時間Atrai的時間段裡實施所述初始化階段。在此，可以從所述測量電極的電位的在初始化階段中的電位曲線中推斷出所述氣體成分的份額。這種推斷又可以以不同的方式進行。比如又可以在初始化階段開始之前，為確定所述氣體成分的份額，而將電位曲線的起始值包括在內。作為替代方案或者補充方案，又可以從電位曲線本身中尤其從總的電位曲線中求得至少一個對於電位曲線來說特徵性的參量，比如又可以求得平均值和/或積分和/或在差值曲線上的積分。通過這種方式，可以從初始化階段中的電位曲線中推斷出所述氣體成分的份額。在所述初始化階段中，尤其可以以電流控制的和/或電荷控制的方式至少部分地將所述氣密的腔室抽空。電流控制的抽空在此是指這樣的抽空，即對於該抽空來說用於抽空的泵電流，比如初始化泵單元的泵電流，跟隨著預先給定的電流曲線，比如恆定的電流曲線。相應地，比如可以設置電流調節機構。用於對至少一種氣體成分的份額進行檢測的裝置比如可以包括一個控制器，該控制器設置這種電流控制，比如電流調節。作為替代方案或者補充方案，也可以進行電荷控制的抽空，也就是這樣的抽空，即對於該抽空來說在抽空過程中輸送的全部的電荷跟隨著預先給定的曲線。為此目的，所述裝置和/或其控制器比如可以包括一個相應的調節機構。
在此可以瞬態地，也就是藉助於連續的測量和/或多個可以分配給相應的時間值的瞬時值，來檢測所述電位曲線。所述電位曲線而後比如可以通過觸發閾值分析和/或積分分析和/或檢測直至達到所定義的對於隨後的濃縮階段來說應該達到的初始值時的持續時間來分析。如上面所描述的一樣，可以固定地預先給定所述預先給定的時間段，其中也可以預先給定多個時間段，在所述預先給定的時間間隔中實施所述初始化階段和/或所述濃縮階段。因此比如可以固定地預先給定用於濃縮階段的時間段和/或固定地用於初始化階段的時間段AtINI。但是，作為替代方案或者補充方案，也可以可變地預先給定這至少一個時間段。因此這至少一個時間段比如可以包括直至達到中斷標準時的時間段。比如這個中斷標準可以是達到一個觸發閾值和/或多個觸發閾值。比如如果電位曲線在初始化階段中並且/或者在濃縮階段中達到一個或者多個預先給定的觸發閾值，則可以滿足中斷標準。此外，除了上面所描述的方法之外，在所描述的方法變型方案中的一種或多種方 法變型方案中提出一種用於對測量氣體室中的至少一種氣體成分的份額進行檢測的裝置。該裝置尤其可以設置用於實施按上面所描述的方法變型方案中的一種或多種方法變型方案所述的方法。相應地，該裝置比如可以包括至少一個控制器，其中所述控制器設置用於實施所描述的設計方案中的一種或者多種設計方案的方法。這個控制器比如可以包括一個或者多個電壓源和/或一個或者多個電流源和/或一個或多個電壓測量裝置和/或一個或多個電流測量裝置。比如可以設置用於尤其在濃縮階段中向泵單元加載的電壓源和/或電流源。作為替代方案或者補充方案，可以設置至少一個電壓源和/或至少一個電流源，用於尤其在初始化階段中向可選的初始化泵單元加載。此外，比如可以設置至少一個電壓測量裝置，尤其用於對測量電極與基準電極之間的能斯脫電壓進行測量的電壓測量裝置。又作為替代方案或者補充方案，所述控制器也比如可以包括至少一個數據處理裝置，比如這樣的數據處理裝置，它在程序技術上設置用於實施按上面所描述的方法變型方案中的一種或多種方法變型方案所述的方法。所述控制器可以完全或者部分地集成到上面所描述的傳感器元件中或者也可以完全或者部分地與所述傳感器元件分開，比如設置在單獨的裝置和/或發動機控制器中。所述裝置如上面藉助於所述方法所描述的一樣包括至少一個具有至少一個用於使氣體成分濃縮的氧還原-泵單元的傳感器元件，並且此外包括至少一個布置在所述氧還原-泵單元後面的具有至少兩個泵電極的泵單元。此外，所述傳感器元件包括至少一個氣密的腔室，其中所述泵電極(NO泵電極)中的至少一個泵電極能夠用來自所述測量氣體室的通過氧還原-泵單元濃縮的氣體來加載。所述泵電極中的至少另一個泵電極布置在氣密的腔室中。此外在所述氣密的腔室中布置在至少一個測量電極。所述氧還原泵電極和所述泵單元在此彼此電流隔離。所述布置在氣密的腔室中的泵電極和所述測量電極如上面所描述的一樣至少可以部分地構造為結構相同的構件或者彼此相連接。但是，作為替代方案，所述布置在氣密的腔室中的泵電極以及所述測量電極也可以完全或者部分地彼此分開。所述傳感器元件可以如上面所描述的一樣具有至少一個用於使氣體成分濃縮的腔室。在該腔室中可以布置所述氧還原-泵單元中的至少一個內部的泵電極。這個內部的泵電極在下面在對可選的用於濃縮的方案沒有限制的情況下也稱為內部的氧泵電極。所述內部的泵電極和所述泵單元的能夠用來自測量氣體室的所濃縮的氣體加載的泵電極(NO泵電極)在此也可以彼此進行電連接。這種連接可以在所述傳感器元件的內部進行或者也可以在所述傳感器元件的外部進行，比如藉助於所述傳感器元件內部和/或所述傳感器元件外部的共同的電氣饋電線來進行。在此能夠進行這種電連接，因為所述氧還原-泵單元和所述泵單元彼此電流隔離。
此外，在所述用於使氣體成分濃縮的腔室中可以設置至少一個氧還原測量電極。如上面所描述的一樣，此外所述傳感器元件可以包括至少一個基準氣體室，比如基準空氣通道或者其它類型的具有所定義的氣體氛圍的基準氣體室。在所述基準氣體室中可以設置至少一個氧還原基準電極。這個氧還原基準電極可以完全或者部分地與上面所描述的可選的基準電極分開，但是也可以完全或者部分地與這個基準電極是結構相同的構件或者與其進行電連接。所述氧還原基準電極和所述氧還原測量電極可以一起形成至少一個氧還原測量單元。在此又未提到這個氧還原測量單元的至少一個可能的固體電解質。所述氧還原測量單元同樣可以與所述泵單元電流隔離。如果是這種情況，那麼所述測量電極又可以與所述氧還原-泵單元的內部的泵電極並且/或者與能夠用來自測量氣體室的所濃縮的氣體加載的泵電極(NO泵電極)進行電連接。這種連接比如又可以與上面的描述相類似通過共同的饋電線和/或共同的其它類型的電連接來進行，所述共同的其它類型的電連接可以完全或者部分地設置在所述傳感器元件的內部或者也可以完全或者部分地設置在所述傳感器元件的外部。如上面所描述的一樣，電流隔離尤其意味著，彼此電流隔離的單元的固體電解質相互絕緣，從而排除離子傳輸並且優選也排除從一個固體電解質到另一個固體電解質的電子傳輸。因此尤其所述氧還原-泵單元和所述泵單元可以相應地具有相互絕緣的固體電解質。這可以如上面所描述的一樣尤其通過以下方式來進行，即所述固體電解質通過至少一個絕緣層來彼此分開。所述至少一個絕緣層和/或其它的用於分開固體電解質的絕緣元件比如可以包括至少一個氧化鋁層，因為這樣的材料能夠容易地集成到陶瓷的層結構中。但是原則上也能夠使用其它類型的絕緣層和/或絕緣材料。如上面所描述的一樣，所述傳感器元件可以包括至少一個基準氣體室尤其至少一條基準空氣通道。在所述基準氣體室中，如上面所描述的一樣可以設置至少一個基準電極，其中所述基準電極與所述測量電極一起形成測量單元。所述測量單元也可以與所述氧還原-泵單元電流隔離。在上面所描述的設計方案中的一種或者多種設計方案中所提出的方法和所提出的裝置相對於已知的方法和裝置具有大量的優點。因此尤其可以明顯地改進測量的信號質量。所述按本發明的裝置和所述按本發明的方法連同多個彼此電流隔離的單元尤其多個彼此隔離的固體電解質比按現有技術的測量電流的傳感器精確得多並且比比如從上面所描述的現有技術中知道的高精確的濃縮的原理精確。所述按本發明的裝置和所述按本發明的方法將濃縮的原理和電流隔離的構造這兩項優點統一起來。因此可以完全或者部分避免所述單元的歐姆的耦合。由此實現更高的精度，因為這些彼此電流隔離的單元再也不會通過串擾來相互幹擾。通過按上面的說明所述的濃縮的原理的使用，信號比如可以通過時間上的積分來求得，所述時間上的積分尤其可以在所述傳感器的內部進行並且免除極小的信號電流的信號傳輸的幹擾的影響。


本發明的實施例在附圖中示出並且在下面的說明中進行詳細解釋。附圖示出如下
圖I是常規的NOx邊界電流傳感器的剖面 圖2是氣體不對稱的單元的能斯脫電壓的曲線；
圖3是具有電流耦合的單元的傳統的裝置的一種實施例；
圖4是按圖3的裝置在初始化階段中的情況；
圖5是按圖3的裝置在濃縮階段中的情況；
圖6是傳統的用於確定NOx濃度的方法；
圖7是用於在使用按圖3的傳統的具有電流耦合的單元的裝置的情況下來實施所描述的方法的裝置的示意性的測量結構；
圖8按本發明的裝置的傳感器元件的一種實施例；
圖9是一種作為圖8的替代方案的實施例；
圖10是按本發明的具有按圖8的傳感器元件的裝置的示意 圖IlA到IlB是按圖10的裝置的控制器的兩種不同的設計方案的簡化的部分組件； 圖12和13是用於用在按本發明的裝置的控制器中的組合元件的不同的設計方案；
圖14是在圖8中示出的傳感器元件的一種改動方案；
圖15是按本發明的方法的一種實施例中的電壓曲線及電流曲線的示意圖；並且 圖16到20是用於用在按本發明的裝置中的傳感器元件的不同的可選的構造。
具體實施例方式圖I示出了傳統的用於確定測量氣體室112中的NOx濃度的傳感器元件110。這個傳感器元件110包括多個通過擴散屏障118、120與所述測量氣體室112相連接的腔室114、116。此外,所述傳感器兀件110包括多個固體電解質層122、一個布置在所述第一腔室114中的內部的氧泵電極124、一個布置在所述測量氣體室112中的外部的氧泵電極126、一個布置在所述第二腔室116中的NO泵電極128以及一個布置在基準空氣通道130中的NO 對應電極132。此外，還可以在所述第一腔室114及基準空氣通道130中設置加熱元件134和其它電極136、138。比如可以在所述腔室114中設置氧還原測量電極136並且在所述基準空氣通道130中設置氧還原基準電極138，但是這兩個電極136、138也可以完全或者部分地與其它的電極合併。為了在存在氧氣背景時測量非氧氣體主要是NOx的很小的氣體濃度，比如使用在圖I中所描繪的基於ZrO2的類型的傳感器元件110。根據這種原理，設置了所述腔室114，其中也可以存在更多數量的腔室，所述腔室114通過所述擴散屏障120彼此隔離。在所述內部的氧泵電極124上將氧氣移除。由此隨後在理想情況下不再存在著氧氣。所述NO泵電極128現在有選擇地分解NOx (這也可以包含NO或者其它的氧化態)並且將從中產生的氧氣泵送給NO對應電極132，比如基準電極或者其它的電極。測量與此相對應的很小的典型地處於納安到微安範圍內的電流並且該電流代表著用於廢氣中的NO或者說NOx濃度的尺度。所述傳感器元件110的在圖I中示出的布置結構的電極在此可以與其相應的要求相匹配。因此，比如可以使用在圖I中示範性地示出的材料，比如用於電極124及136的鉬-金-合金以及用於電極128的鉬-銠-合金。如已知的一樣，對於具有設置在廢氣中的電極以及設置在基準空氣通道130中的電極的氣體非對稱單元(也就是作為離散探測器(Sprungsonde)起作用的能斯脫單元)的能斯脫特性來說，產生在圖2中示出的特性曲線。在這裡在水平軸上繪出了相對的燃料-空氣-比例λ，其中具有λ I的數值表示稀薄的區域142。在左邊的垂直軸上繪出了以伏特為單位的能斯脫電壓Un並且在右邊的垂直軸上繪出了以bar計的氧氣分壓力ρ02。在靠近λ = I的地方可以發現所述曲線的陡峭的走向，從而因此在氧氣含量細微地變化時可以在這個區域中記錄所述能斯脫電壓的更為明顯的變化。所述傳感器元件110的在圖I中示出的布置結構具有上面所描述的缺點，也就是尤其難以檢測NOx濃度。相對於此，在圖3中示出了比如從DE 10 2008 040 314.8或者DE10 2008 004 374. 3中公開的用於對測量氣體室112中的氣體成分的份額進行檢測的裝置 144的另一種設計方案。所述裝置144除了傳感器元件110之外還包括控制器146，其中下面還要對所述傳感器元件110的結構進行解釋，並且其中所述控制器146可以包括不同的電子的組件和/或數據處理裝置並且可以設置用於與所述傳感器元件110 —起實施按本發明的方法。所述傳感器元件110基本上與圖I中的傳感器元件110類似地構成並且優選具有多個固體電解質層122以及多個通過擴散屏障120來彼此分開的腔室114、116，其中所述第一腔室114通過另一個擴散屏障118與所述測量氣體室112處於連接之中。此外，在該實施例中又在所述第一室114中設置了內部的氧泵電極124並且在所述測量氣體室112或者與該測量氣體室112分開的空間比如基準氣體室中設置了外部的氧泵電極126。所述內部的氧泵電極124比如又可以包括PtAu-金屬陶瓷電極。所述內部的氧泵電極124、外部的氧泵電極126和固體電解質122 —起形成氧還原-泵單元127，該氧還原-泵單元127將氧氣從所述腔室114中移除並且由此使至少一種有待檢測的氣體成分比如NOx和/或CO濃縮。此外，所述傳感器元件110在所示出的實施例中又在所述第二腔室116中包括NO泵電極128，該NO泵電極128能夠用來自所述測量氣體室的經過濃縮的氣體來加載並且可以作為第一泵電極起作用。所述NO泵電極128與布置在氣密的腔室148中的可以作為第二泵電極起作用的第一空腔電極150以及所述固體電解質122 —起形成泵單元152。此外，在所示出的實施例中在所述氣密的腔室148中設置了第二空腔電極154，該第二空腔電極154可以完全或部分地與所述第一空腔電極150相同地構成，但是該第二空腔電極154也可以如在圖3中示出的一樣構造為單獨的空腔電極。這個第二空腔電極154也可以在上面所描述的發明的意義上作為測量電極來起作用。此外又設置了一條基準空氣通道130，該基準空氣通道130比如可以與周圍空間比如周圍空氣相連接。在這條基準空氣通道130中設置了基準空氣電極156，該基準空氣電極156比如可以在上面的說明的意義上作為基準電極起作用。按運行方式，所述第二空腔電極154、固體電解質122及基準空氣電極156可以形成初始化泵單元158或者測量單元160。
此外，又可以設置加熱元件134。在這種最簡單的變型方案中，所述傳感器元件110因而設有氣密的腔室148。該氣密的腔室148比如可以構造為空腔或者構造為用多孔的透氣的材料來填充的腔室。這個氣密的腔室148通過所述固體電解質122，比如作為氧離子導體起作用的釔穩定的二氧化鋯YSZ，與所述測量氣體室112的氣體比如廢氣分離。通過所述泵單元152可以將氧氣泵送到所述氣密的腔室148中。所述至少一個基準空氣電極156布置在所述基準空氣通道130中，該基準空氣通道130比如可以與具有大約21%02的外部的空氣環境處於連接之中。按實施方式，如上面所解釋的一樣，所述空腔電極150、154可以完全或者也可以部分合併或者說通過一個唯一的空腔電極來取代這些電極的功能。通過這種方式可以減少電極數目。為了實現所述固體電解質122的足夠的離子傳導能力，所述傳感器元件110優選通過內部的加熱元件134來調節到相應的工作溫度。對於在圖3中示出的傳感器元件110的運行方式來說，比如可以參照上面已經提到的 DE 10 2008 044 374. 3 和 DE 10 2008 040 314.8。通過所述氧泵電極 124、126 來使有待檢測的氣體成分比如NOx和/或CO和/或CO2濃縮。這種優選包含氧的氣體成分在優選具有催化的活性的NO泵電極128上得到分解。而後通過泵單元152可以將氧氣泵送到所述氣密的腔室148中。這要麼可以通過主動的泵送過程，也就是通過電壓和/或電流功能的加入來進行，要麼也可以通過用歐姆電阻來向所述泵單元152加載這種方式來被動地進行。後者也稱為自主的泵單元。為了定量地確定有待探測的氣體成分(比如N0x、C0等等)，優選使用有選擇地泵送的尤其用於NO泵電極128的電極材料。作為替代方案或者補充方案，所述選擇性可以通過電化學支持的泵送過程，比如具有含氧的氣體的特徵性的分解電壓，來得到支持。按照圖3，額外地在前置的擴散限制的第一腔室114中藉助於優選具有在催化方面較小的活性的有選擇的氧泵單元比如AuPt金屬陶瓷電極來移除包含在廢氣中的氧氣。在此要指出，按圖3的傳感器裝置112可以以不同的方式來改動。因此比如也可以用兩個以上的氧還原腔室114以串聯的方式來移除氧氣。此外在圖3中示出的結構可以通過不同的腔室114、116和148的布置以及基準空氣通道130的布置的變化來改動。因此比如可以實現這些單個的腔室的不同的水平的和/或垂直的布置方式。此外，可以降低和/或改變電極數目，比如方法是如上面已經部分地解釋的一樣可以將按圖3的電極中的一個或者多個電極組合併且/或者至少部分地合併。所提出的方法包括兩個階段，下面要藉助於圖4和5對這兩個階段進行詳細解釋。因此在圖4中示出了初始化階段並且在圖5中示出了濃縮階段。在所述濃縮階段期間，在與所述測量氣體室112中的廢氣分開的氣密的腔室148中通過泵送過程，也就是比如主動地通過將泵電壓和/或泵電流施加到所述泵單元152上這種方式並且/或者被動地以自主的泵單元的形式聚集比如與所述NOx濃度或者其它種類的有待檢測的氣體成分的濃度相關聯的氧的量。在每個新的周期之前，在圖4所示出的初始化過程中優選將這個氣密的腔室148泵空或者以其它的方式將其置於所定義的初始狀態。一旦現在開始所述在圖5中示出的濃縮過程，那就在與NOx濃度相關聯的情況下將氧氣也就是說通過泵單元152輸送到所述氣密的腔室148中並使其濃縮在所述氣密的腔室148中。 在圖4所示出的初始化階段中，比如通過經由所述電極154和156以及處於其之間的固體電解質122來進行的電壓或者電流控制的泵送過程來建立所定義的起始狀態，所述電極154和156以及固體電解質122在這個初始化階段中一起作為初始化泵單元158起作用。所述氣密的腔室148中的腔室狀態的所屬的測量參量是在所述第二空腔電極154與所述基準空氣電極156之間的下面也稱為υΗΚΕ2_ΑΠ_的能斯脫電壓。
在所述濃縮階段中，通過將泵電壓/泵電流加載到所述泵單元142上這種方式來將從NO分解(或者說其它種類的含氧的氣體成分的分解)中提取的與NOx濃度相關聯的氧氣泵送到所述作為濃縮室起作用的氣密的腔室148中。由此提高了所述氣密的腔室148中的O2濃度。腔室狀態也就是其氧氣含量的分析比如通過所述電極154與156之間的能斯脫電壓的測量來進行。在這種情況下，由所述電極154、156及處於其之間的固體電解質122形成的單元作為測量單元160起作用。所述第二空腔電極154在這種情況下作為測量電極起作用。所述測量單元160的能斯脫電壓與所述作為濃縮室起作用的氣密的腔室148中的氧氣含量相關聯。對於從DE 10 2008 044 374. 3 和 DE 10 2008 040 314. 8 中公開的方法來說，t匕
如出現所述能斯脫電壓Uuhike2的在圖6中所描述的變化曲線。所述初始化階段在該示意圖中用附圖標記162來表示並且所述濃縮階段用附圖標記164來表示。在這種從後來公開的現有技術中知道的方法中，測量參量是持續時間△〖，直至達到隨著氧氣濃度上升而下降的能斯脫電壓Uuhke2的所定義的閾值υΜ_ΗΚΕ2，ω_需要所述持續時間At。在此示出了兩種不同的NO濃度，其中濃度C2 (NO)大於濃度C1 (NO)。隨著NO濃度的上升，更快地填充所述氣密的腔室148並且所述第二空腔電極154與所述基準空氣電極156之間的電壓更快地下降。作為在圖6中所描繪的方法的替代方案或者補充方案，還可以實現大量其它的方法，藉助於這些方法可以從所述作為測量電極起作用的第二空腔電極154的在所述初始化階段和/或濃縮階段期間的電位曲線中推斷出所述測量氣體室112中的有待檢測的氣體成分的份額。關於這方面比如可以參照上面的說明。圖7示出了裝置144的一種實施例，在該實施例中也示意性地示出了所述控制器146的一種可能的設計方案的細節。圖7示出了一種傳統的裝置，該裝置比如可以用於實現在DE 10 2008 044 374. 3和DE 10 2008 040 314. 8中所描述的方法。相應地，所述裝置144包括傳感器元件110，該傳感器元件比如可以與圖3中的傳感器元件110相類似地構成。相應地，在許多方面可以參照圖3的說明。因此比如也可以將在圖3中示出的傳感器元件110用在按圖7的裝置144中。實際上在圖7中示出的傳感器元件110不象在按圖3的示意圖中一樣包括(也可以以其它形式構成的)端面的進氣口，而是包括進氣孔166。應該看作另一個差別的是，在所示出的實施例中在所述第一腔室114中另外設置了氧還原測量電極136。該氧還原測量電極136與所述固定電解質122及所述基準空氣通道130中的基準空氣電極156 —起形成氧還原測量單元168。在此在所示出的實施例中在所述基準空氣通道130中僅僅設置了一個電極。作為替代方案也可以設置多個電極，比如方法是與圖I中的實施例相類似作為所述基準空氣電極156的補充設置了氧還原基準電極138。所述電極在此在圖7中簡稱如下終部的K.i.i電+機126；ΑΡΕΙ
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因為根據所述傳感器元件110的還在圖7中示出的已知的傳感器設計，所有的電極通過離子傳導的固體電解質122彼此相連接，所以為了分開不同的功能單元而必須使用無電位的電源，也就是所謂的「漂浮電源(Floating-Sources)」或者說用於進行電流和/或電壓測量的無電位的測量儀(同樣「漂浮(Floating)」)。這在圖7中的傳統的控制器146中示出。在那裡，以下附圖標記表示以下元件
1.70；Jlj I' N IltItt.c it 134 K電的如熱S _fi
1 2Oj移除的1.作電路及訃珩電ft
174* 176 尺電位的電源f
178, 180； Λ；電位的電 ill ill M漢 t 凓·· 、
IS2, 184 Ai電位的電Jk測;I(rS > i86；,W S，以及
IKSt微拉制器..
總之，對於所述控制器146來說必須運行的開銷和這個控制器146的複雜性比較都比較高，並且引起相應的成本。控制器146在此在本發明的範圍內普遍是指觸發及分析電路，該觸發及分析電路可以控制所述裝置144的功能中的至少部分功能並且比如可以提供相應的電壓和/或電流並且比如可以測量相應的電壓和/或電流，用於實施上面所描述的方法變型方案中的一種或者幾種。而圖8和9則示出了傳感器元件110的按本發明的設計方案，這些傳感器元件可以取代傳感器元件110來用在裝置144中，比如用在按圖7的裝置144或者一種簡化的下面還要詳細描述的裝置中。與按圖7的傳感器元件110不同的是，按圖8的傳感器元件沒有一個唯一的連貫的固體電解質122或者多個傳導離子的彼此相連接的固體電解質122，而是具有多個固體電解質層188。在圖8和9中示範性地分別示出了三個這樣的用附圖標記188a、188b和188c來表示的固體電解質層。所述固體電解質層188a到188c在按本發明的實施例中在圖8和9中分別通過絕緣層190彼此隔開。在此示範性地在圖8中示出了三個用190a、190b和190c表示的絕緣層，然而在圖9中則示範性地設置了絕緣層190a、190b、190c和190d。在此，在按圖8的實施例中，加熱元件134埋入到絕緣層190c中，然而在圖9中則將其埋入到絕緣層190c與190d之間的固體電解質層188中。但是在其它方面，圖8和9中的實施例相類似。此外，可以取代按圖8和圖9的兩種實施例中的基準空氣通道130中的一個唯一的電極而可選設置多個這樣的電極，也就是也用RE表示的氧還原基準電極138以及也用NORE表示的基準空氣電極146。在此所述氧還原基準電極138和處於所述第一腔室114中的氧還原測量電極136通過一個共同的固體電解質層188相連接並且形成上面已經描述的氧還原測量單元。此外，在該實施例中可選在所述氣密的腔室148中僅僅設置一個唯一的這裡普遍用HKE來表示的電極。該電極同時承擔所述作為第二泵電極起作用的第一空腔電極150的功能和所述作為空腔測量電極起作用的第二空腔電極154的功能。原則上也可以實現該電極的其它的設計方案比如多構件的設計方案。在所示出的實施例中，共同的空腔電極普遍地用HKE來表示。所述HKE與所述NO泵電極(在圖9中用NOE表示)一起形成所述泵單元152，並且與所述NORE —起形成所述測量單元160。通過所述絕緣層190的使用，在所示出的實施例中所述氧還原-泵單元127與所述單元152、160彼此電流隔離。這種電流隔離的方式此外可以用於減少圖8和9中的傳感器構造中的饋電線的數目。所述電化學的單元127和152、160的電流隔離可以通過非氧-離子傳導的中間層的使用來進行，所述非氧-離子傳導的中間層如上面所描述的一樣 普遍地稱作絕緣層190。這些絕緣層190由此僅僅具有微小的離子傳導能力。可選這些絕緣層190可以額外地具有微小的導電能力，但是這在本發明的範圍內僅僅起著微小的作用。比如，作為絕緣層190可以使用氧化鋁層，所述氧化鋁層不僅可以構造為薄膜也可以構造為印刷的層。所述作為濃縮室起作用的氣密的腔室148還僅僅通過所述HKE150U54來實現。在此要指出，如上面所解釋的一樣，所述基準空氣通道130也可以以其它的方式來實現。因此，比如該基準空氣通道130也可以完全或者部分地被其它的基準室所取代比如被所謂的泵送的基準(gepumpte Referenz)所取代。由於所述電化學的單元127和152、160電流隔離，所述電極IPE I,IPE II和NOE可以完全或者部分地彼此電連接，這優選已經可以在所述傳感器元件的內部進行。通過這種方式比如可以使用共享連接(英語Shared Connection, SC)。通過這種處理方式,可以節省所述傳感器元件的兩條饋電線。除此以外，圖8和9中的用於整體的陶瓷的具有封閉的濃縮室的NOx傳感器的構造尤其在與在下面還要描述的電氣布線和分析電路的組合中(t匕如參見圖10)提供了完全放棄無電位的電源和測量儀(漂浮)的可能性。圖10示出了按本發明的裝置144的一種實施例。在該示意圖，也示意性地示出了簡化的控制器146的一種實施例，藉助於該控制器146應該在與按圖7的控制器146的比較中對簡化情況進行解釋。圖10示範性地示出了與圖8中的實施例相類似的傳感器元件110。但是也可以使用其它類型的具有彼此電流隔離的單元的傳感器元件110。在許多方面為說明所述控制器146的在圖10中示出的元件而可以參照圖7的說明。但是，由於通過所述絕緣層190電流隔離所述氧還原-泵單元127、氧還原測量單元168和單元152、160，如上面所解釋的一樣，所述電極IPE I,IPE II和NOE可以連接在一起，這在圖10中通過符號「SC」(Shared Connection,共享連接)來示出。由此不僅可以節省饋電線，而且也可以將在圖7中示出的電氣裝置比如電壓源174、176、電流測量儀178、180和電壓測量儀182、184部分地合併、構造為無電位的結構並且在總體上使其大為簡化。在此，如在圖10中所解釋的一樣使用組合元件192、194，所述組合元件192、194可以包括電壓源和/或電流源以及電壓和/或電流測量儀。此外，所述第一組合元件192包括開關196，所述第二組合元件194也可以如在圖I中示出的一樣可選包括開關198。在圖IlA和IlB中還再次節選地示出了作為運行及分析單元起作用的控制器146的負責真正的NO測量的組成部分。在此，圖IlA示出了已經在圖10中示出的變型方案1，而在圖IlB中則示出了一種變型方案2，該變型方案2能夠額外地測量空腔電極HKE與NO基準電極NORE之間的電壓曲線。在這兩種變型方案中，所述上面的組合元件192在所述初始化階段中實現電壓加載Uiunit。在這個初始化階段中，比如將所述氣密的腔室148抽空(參見圖8和9)，這比如通過開關位置1/1來進行。此外，所述上面的組合元件192比如通過關於NOE的正的泵電壓來維持NOE與NORE之間的邊界電流。同時在所述第一組合元件192(開關位置II/U2)中的電壓源Uk短路(Uk=OV)時，將來自所述第一組合元件192的相同的泵電壓加載在HKE與NORE之間並且由此同樣尤其通過HKE與NORE之間的關於NOE-HKE的正的泵電壓來從作為濃縮室起作用的氣密的腔室148中泵出在前一個階段中濃縮的氧氣，並且由此將所述氣密的腔室148抽空。所述第一組合元件192中的所屬的總電流或者說總電荷以及所述第二組合元件194中的腔室電流或者說電荷份額通過所述電流測量儀來確定。從中同樣可以通過差的形成，從流經NOE-NORE的邊界電流中來確定電荷份額。將這些額外的測量參量用在所謂的多參量分析中。在另一種實施方式中，可以連續地調節NOE與電壓測量之間的連接(就象第一組合元件192中的開關位置2 —樣)並且可以取代切換操作而還僅僅接入所述泵電壓Uiunit(開關位置I)。由此在所述初始化階段中在UK，Init=UK，Akk，S11的情況下自動地通過調節器186來產生控制值Uk=OV (HKE與NOE之間的KS)。否則必須在所述初始化階段中分開並且/或者停用所述調節器186，並且必須將所述控制值設置到0V。在真正的濃縮階段中(階段II、開關位置1/2和11/1、2)藉助於電壓加載隊來將NO邊界電流從NOE朝HKE泵送到所述氣密的腔室148中(正的電壓，關於Ν0Ε)。根據所述第一組合元件192的開關位置2(1/2)，通過電壓測量UK，Akk來連續地測定NOE與NORE之間的電壓。藉助於所述調節器186來如此改變用於填充所述氣密的腔室148的泵電壓，從而在NOE與NORE之間連續地出現所定義的電壓(比如UR』 Akk=450mV )。所述在腔室電壓(HKE-NORE，與具有腔室電壓HKE2-LR的圖6相類似)的變化上的腔室狀態的測量根據所述分析電路的變型方案2通過HKE與NORE之間的電壓Ut的額外的測量來進行。在此根據上面的解釋，將直至達到所定義的電壓閾值時的時間間隔作為傳感器信號來分析(參見圖6和所屬的說明)。在按變型方案I的分析電路的另一種簡化方案中(圖11A)，可以放棄這種額外的電壓測量，因為在足夠精確並且快速地調節時同樣可以從控制量中求得所述腔室電壓。根據網格方程(Maschengleichung)所述控制量在每個時刻與腔室電極HKE與NO基準電極NORE之間的真正尋求的電壓僅僅相差了所述控制量的恆定的數值仳如450mV)。相應地也可以將所述控制值直接用作傳感器信號。通過所述第二組合元件194中的可選繪出的開關198(濃縮階段中的開關位置3)，可以對濃縮單元進行簡單的就地校準。因為在這種情況下不主動地填充所述氣密的腔室 148，所以這比如能夠對所述氣密的腔室148進行零點調準，比如方法是通過象電子的洩漏電流一樣的寄生效應來僅僅進行腔室填充。作為替代方案，在不使用開關194的情況下通過所述濃縮階段中的電荷量(腔室填充)與在隨後抽空所述腔室時(初始化)的腔室電荷量的比較同樣可以進行就地校準。為實現所述組合元件192、193，可以使用不同的變型方案。在圖12和13中示範性地示出了所述組合元件192、194的兩種這樣的變型方案。在這兩種情況下，將電壓源、通過並聯電阻R(所屬的並聯電壓源未繪出)進行的同時的電流測量和開關S集成在一起。這種形式的電壓源的優點在於，根據阻抗變換器的反饋迴路所述阻抗電阻R上面的電壓降和所述開關S上面的電壓降內在地得到補償並且對輸出電壓沒有影響。對於在圖12中示出的變型方案I來說可能出現幹擾(比如在轉換過程中也就是在反饋迴路b — a的重新接通時的電壓和/或電流峰值)，與這種變型方案相反，通過按在圖13中示出的變型方案2的布線通過以下方式防止了所述幹擾，即所述反饋迴路在開關位置b中同樣閉合。這種變型方案2能夠額外地實現電流測量或者說電壓源的調準，因為在總系統的輸出電壓切斷時(開關位置b)在預先給定電壓的情況下在所述阻抗變換器的輸入端上定義的電流流經所述並聯電阻R。根據輸入電壓，由此不僅可以進行零點調準而且可以對其它的所定義的電流進行調準。這種方案原則上同樣能夠用在常規的邊界電流傳感器上。
此外，作為第三種變型方案，也可以在所述開關S之前導回所述反饋迴路並且由此避免所述反饋迴路中的開關過程。但是在這種變型方案中而後在通常不理想的開關S上面產生不受歡迎的電壓降並且產生所述輸出電壓的輕微的失真狀況。圖14不出了按圖8和9的傳感器兀件110的一種改動方案,該改動方案比如同樣可以用在按本發明的裝置144中。在這種情況下又設置了基準氣體室，該基準氣體室比如可以構造為基準空氣通道130。但是，作為替代方案，這個基準氣體室如上面所描述的一樣原則上也可以以其它的方式構成，比如構造為封閉的基準氣體室，比如構造為泵送的基準，在所述封閉的基準氣體室中通過泵送過程來調節所定義的氣體氛圍，比如所定義的空氣係數。可以實現不同的設計方案。在圖14中示出的實施例基本上相當於在圖8中示出的實施例。但是與圖8不同的是，比如在圖14中又示出了第一擴散屏障118上面的端面的進氣口。但是作為替代方案或者補充方案也可以使用與圖8相類似的進氣孔166。此外，在按圖14的設計方案中在所述基礎氣體室的內部比如在所述基準空氣通道130的內部又設置了兩個電極。因此設置了用RE表示的氧還原基準電極138，該氧還原基準電極138可以與所述第一腔室114中的用NE表示的氧還原測量電極136 —起形成氧還原測量單元168。此外,這個電極RE可以與布置在所述氣密的腔室中的電極HKEI 150—起形成測量單元160。此外，在所述基準氣體室比如基準空氣通道130中設置了另一個在圖14中用NOCE表示的電極156。這個電極156與布置在所述氣密的腔室148中的電極，這裡示範性地是第二空腔電極154 (用HKE II表示)，一起形成初始化泵單元158。此外，所述HKE II可以與布置在所述第二腔室116中的這裡用NOE表示的第一泵電極128 —起形成泵單元152。所述固體電解質122作為固體電解質122又構造為固體電解質層188，該固體電解質層188通過不傳導離子的絕緣層190，比如又通過氧化鋁層，彼此隔開。由此形成以下組別的彼此電流隔離的電化學的單元
第I組氧還原-泵單元127，
第2組氧還原測量單元168以及測量單元160,第3組初始化泵單元158以及泵單元152。又可以與圖10和IIA及IlB中的設計方案相類似，分別將來自每個組的單元的電極在電氣方面進行合併，比如合併為共享連接(Shared Connection)。此外，所述電極NOE與NOCE可以一起形成在圖14中用附圖標記200來表示的NOx單元。藉助於這個NOx單元比如可以實現傳統的NOx測量原理。這個NOx單元200應該分配給上面所描述的第三組。在此所述NOCE定位在所述基準空氣通道130中或者定位在其它的基準氣體室中。所述電 極如上面所描述的一樣可以普遍地構造為金屬陶瓷電極。通往連接板的饋電線可以構造為單獨的或者部分組合的金屬層。關於在圖14中示出的傳感器元件110的測量原理，比如可以參照上面的說明。比如對於氧氣富集的廢氣來說可以從所述第一腔室114中以電化學方式通過所述氧還原-泵單元127來連續地移除氧氣，並且更確切地說比如一直移除所述氧氣，直到在所述氧還原測量單元168上加載著預先給定的電壓，比如400mV的電壓。所述APE 126的電位而後一般比所述IPE 124的電位更正極。氧擴散流而後作為能夠以電氣方式測量的泵電流在所述電極IPE和APE上延續並且而後可以用作用於廢氣中的氧氣含量的測量參量。對於氧氣不足的廢氣來說，一般在該實施例中或者也在其它的實施例中調轉通過所述氧還原測量單元127的泵送方向。所述APE 126的電位而後一般比所述IPE 124的電位更負極。為了調節APE電位，比如可以使用一種調節機構，所述氧還原測量單元168的電壓形成該調節機構的輸入參量。所述氧還原測量單元168和氧還原-泵單元127在此在按圖14的實施例中以及在本發明的其它優選的實施例中彼此電流隔離。通過電化學的泵送來將所述第一腔室114中的氧氣分壓力保持優選恆定。所述IPE 124在此比如通過金摻雜成為鉬-金屬陶瓷電極，優選在催化方面沒有活性地作為純粹的鉬-金屬陶瓷電極。氧化氮可以優選幾乎沒有變化地通過這個IPE 124並且經過所述第二擴散屏障120到達所述第二腔室116中。在那裡在比如可以構造為鉬-銠-金屬陶瓷電極的NOE上以催化方式使NOx裂解並且將所產生的氧氣以電化學的方式通過電極NOE(NOx電極)來移除。所形成的比如可以通過NOx單元200流動的泵電流已經可以相應地用作用於氧化氮濃度的第一尺度。作為替代方案或者補充方案可以使用上面所描述的方法。因此可以在濃縮階段(該濃縮階段下面在不限制其它可能的次序的情況下也稱為階段I)中將所產生的氧氣泵送到所述氣密的腔室148中並且將其存放其中。在初始化階段中(該初始化階段下面在不限制其它可能的時間次序的情況下也稱為階段II)可以從所述氣密的腔室148中將氧氣泵送到所述基準空氣通道130中並且/或者泵送到所述第一腔室114中，其中可以同時將這個氣密的腔室148抽空。所述HKE I和HKE II在所述氣密的腔室148中定位在不同的固體電解質層188上。第三階段(該第三階段在不限制其它可能的次序的情況下也稱為階段III)也可以完全或者部分地與上面所描述的初始化階段和/或濃縮階段相合併，在該第三階段中可以將所述電極對HKE I和RE用於測量能斯脫電壓並且由此測量所述氣密的腔室148中的氧氣分壓力。比如所述能斯脫電壓可以與在所述氣密的腔室148與所述基準空氣通道130或者說以其它方式設計的基準氣體室之間的分壓力比的對數成比例。在第三階段中的時間裡產生的能斯脫電壓和/或第二階段中的泵電流可以作為用於NOx濃度的尺度來分析並且控制著所述階段之間的轉變。所述第一及第二階段在此可以不斷地交替，而所述第三階段則比如要麼可以多次中斷所述第一階段要麼可以代表著所述第一與第二階段之間的過渡狀態。這一點示範性地在圖15中示出。在此所述第一階段用Ph I來表示，所述第二階段用Ph II來表示並且所述第三階段用Ph III來表示。在此在垂直軸上的標示中提到的電極之間示出了不同的電壓曲線及電流曲線。也就是說，在最上面的分圖中作為時間的函數示出了所述電極RE與HKE I之間的電壓，在從上面數的第二分圖中示出了所述NOE與HKE II之間的電壓，在從上面數的第三分圖中示出了所述NE與HKE I之間的電流，並且在從上面數的第四也就是最下面的分圖中示出了所述NE與HKE I之間的電壓。水平軸代表著時間軸。在此曲線202表示用於較高的NOx濃度的變化，並且曲線204代表著用於較低的NOx濃度的變化。在所提出的方法中比如能夠對多個信號進行分析。因此比如在階段II中在泵空所述氣密的腔室148時可以對電流積分進行分析。作為替代方案或者補充方案，可以對所述HKE I與RE之間的電壓進行分析。又作為替代方案或者補充方案，可以對所述NOCE的連續的泵電流進行分析。所述濃縮的方法的使用由於其對NOx濃度的時間上的積分而同樣顯著提高了精度。藉助於絕緣層190通過電流隔離阻止了所提到的單元的相互幹擾。當然， 所述絕緣層190也能夠如上面已經解釋的一樣對幾個電極比如IPE、NE和NOE實現共同的導線引導。如上面所描述的一樣，可以以不同的方式實現用於用在按本發明的裝置144中的按本發明的傳感器元件110的在圖14中示出的層結構或其它的層結構。因此比如所述絕緣層190和固體電解質層188可以通過在彼此上面層壓的薄膜來產生。作為替代方案或者補充方案也可以使用絲網印刷層。除此以外，所述絕緣層190的使用還具有其它優點。因此，這些絕緣層190的使用比如還有助於這一點，即對於所描述的濃縮的原理來說不會由於洩漏電流或者電子的剩餘傳導能力而使所儲存的氣體以很高的程度從氣密的腔室148中失去，其中對於所述濃縮的原理來說使用氣密的腔室148。圖16到20示出了傳感器元件110的其它設計方案，這些設計方案比如可以用在按本發明的裝置144中比如用在按圖10的裝置中。但是，作為替代方案，也可以使用其它的控制器146。關於所述傳感器元件110的各個元件的功能，可以在很大程度上參照上面的說明。此外，在圖16到20中示範性地示出了電極觸頭206和饋電線208，但是也可以考慮這些電極觸頭206和饋電線208的其它設計方案。圖16示出了一種實施例，對於該實施例來說設置了兩個空腔電極HKE I和HKEII，這兩個空腔電極如在圖16中所示出的一樣也可以彼此電連接。此外設置了基準空氣通道130和/或其它類型的基準空間，其中在所述基準空氣通道130中布置了兩個電極138、156，但是這兩個電極也可以如在圖16中所示出的一樣完全或者部分地彼此進行電連接。又將所述單元進行電流隔離，從而可以完全或者部分地將饋電線208合併。由此利用總共七個電極和兩個加熱器觸頭獲得七根饋電線208和七個電極觸頭206。在此在圖16中以及在接下來的附圖中對於絕緣層190來說也還可以可選在兩種絕緣層之間進行區分，也就是比如在(比如可以用於也可以完全或者部分與所述絕緣層F4合併的絕緣層F5的)氧化鋁薄膜與以其它方式構成的層比如所印刷的(比如可以用於絕緣層SI、S2和可選圖16中的S3或者也可以在其它附圖中使用的)AlOx層之間進行區分。但是原則上也可以考慮其它的設計方案。圖17示出了傳感器元件110的一種實施例，對於該實施例來說又可以使用兩個空腔電極HKE I和HKE II並且同樣又可以在所述基準氣體室比如基準空氣通道130中設置兩個電極138、156。這些電極HKE I和HKE II或者說LR I和LR II也可以又如在圖17中所示出的一樣完全或者部分彼此進行電連接，使得其比如又可以通過共同的饋電線208來接觸。如在圖17中示出的一樣，在此所述通往加熱元件134的饋電線208與通往APE I的饋電線208相連接。因而留下另一個比如可以導引到圖17中的傳感器元件110的下側面上的加熱器觸頭。利用總共七個電極和一個加熱器觸頭，由此獲得六條饋電線208和相應數目的電極觸頭206。圖18示範性地示出了按圖16的傳感器元件的另一種改動方案。在此取代基準空氣通道130而使用另一種基準氣體室，在這種情況下比如使用封閉的基準氣 體室，該基準氣體室比如可以構造為泵送的基準210。在其它方面可以參照按圖16的設計方案。利用總共七個電極和兩個加熱器觸頭，由此獲得總共七條饋電線208和七個電極觸頭 206。圖19示出了一種實施例，對於該實施例來說在所述氣密的腔室148中僅僅設置了一個電極，該電極可以同時履行所述電極150和154的功能並且在圖19中用HKE I來表示。此外又設置了基準空氣通道130，在該基準空氣通道中同樣僅僅設置了一個電極，該電極在圖19中用LR I來表示並且承擔所述電極138和156的功能。所述HKE I和LR I在此布置在固體電解質層188上，該固定電解質層在圖19中用F II來表示並且在該固體電解質層上也布置了所述NOE 128。處於其下面的另一個用F III表示的固體電解質層188由此也可選可以在圖19中取消並且/或者被另一個絕緣層190所取代。此外，圖19中的加熱元件134的觸頭之一又與圖17相類似與通往APE I的饋電線相連接。由此總共以七個電極和一個額外的加熱器觸頭獲得僅僅六條饋電線208和六個電極觸頭206。最後在圖20中示出了傳感器元件110的一種實施例，該實施例首先在很大程度上可以相當於圖18中的實施例。這裡比如也可以又設置泵送的基準210的形式的基準氣體室。此外，如同樣在圖20中示出的一樣又可以將所述加熱元件134的加熱器觸頭與通往APE I的饋電線之一合併。由此用七個電極和一個額外的加熱器觸頭總共獲得六條饋電線208和六個電極觸頭206。
權利要求
1.用於檢測測量氣體室(112)中的至少一種氣體成分的份額的方法，其中使用至少一個傳感器元件(110)，該傳感器元件(110)具有至少一個用於使所述氣體成分濃縮的氧還原-泵單元(127)，其中所述傳感器元件(110)另外具有至少一個布置在所述氧還原-泵單元(127)後面的、設有至少兩個泵電極(128、150、154)的泵單元(152)，其中所述傳感器元件(110)另外具有至少一個氣密的腔室(148)，其中所述泵電極(128、150、154)中的至少一個泵電極能夠用來自所述測量氣體室(112 )中的通過所述氧還原-泵單元(127 )濃縮的氣體來加載，其中所述泵電極(128、150、154)中的至少另一個泵電極布置在所述氣密的腔室(148)中，其中此外至少一個測量電極(150、154)布置在所述氣密的腔室(148)中，其中所述氧還原-泵單元(127)和所述泵單元(152)電流隔離，其中所述方法具有以下階段 -初始化階段，其中在該初始化階段中通過泵送在所述氣密的腔室(148)中建立或者重建所定義的初始狀態，以及 -濃縮階段，在該濃縮階段中通過經由所述泵單元(152)進行的泵送來使一定量的氧氣濃縮在所述氣密的腔室(148)中，其中所述氧氣的量代表著氣體成分在測量氣體中的份額的尺度； 其中從所述測量電極(150、154)的電位曲線中推斷出所述氣體成分的份額。
2.按前一項權利要求所述的方法，其中所述測量電極(150、154)的電位的電位曲線通過在所述測量電極(150、154)與至少一個基準電極(138、156)、尤其布置在至少一個基準氣體室(130、210 )中的基準電極(138、156 )之間的電位差來檢測。
3.用於檢測測量氣體室(112)中的至少一種氣體成分的份額的裝置(144)，其中所述裝置包括至少一個傳感器元件(110)，其中所述傳感器元件(110)具有至少一個用於使所述氣體成分還原的氧還原-泵單元(127)，其中所述傳感器元件(110)另外具有至少一個布置在所述氧還原-泵單元(127)後面的、設有至少兩個泵電極(128、150、154)的泵單元(152)，其中所述傳感器元件(110)另外具有至少一個氣密的腔室(148)，其中所述泵電極(128、150、154)中的至少一個泵電極能夠用來自所述測量氣體室(112)中的、通過所述氧還原-泵單元(127)濃縮的氣體來加載，並且其中所述泵電極(128、150、154)中的至少另一個泵電極布置在所述氣密的腔室(148)中，其中此外至少一個測量電極(150、154)布置在所述氣密的腔室(148)中，其中所述氧還原-泵單元(127)和所述泵單元(152)電流隔離。
4.按前一項權利要求所述的裝置(144)，其中該裝置(144)另外具有至少一個控制器(146)，其中該控制器(146)設置用於實施按前述方法權利要求中任一項所述的方法。
5.按前述裝置權利要求中任一項所述的裝置(144)，其中所述傳感器元件(110)具有至少一個用於使所述氣體成分濃縮的腔室(114)，其中在所述腔室(114)中布置了所述氧還原-泵單元(127)的至少一個內部的泵電極(124)。
6.按前一項權利要求所述的裝置(144)，其中所述內部的泵電極(124)和所述能夠用來自測量氣體室(112)的經過濃縮的氣體來加載的泵電極(128)彼此電連接。
7.按前兩項權利要求中任一項所述的裝置(144)，其中在所述用於使氣體成分濃縮的腔室(114)中另外設置了至少一個氧還原測量電極(136)，其中所述傳感器元件(110)另外包括至少一個基準氣體室(130、210)，其中在所述基準氣體室(130、210)中設置了至少一個氧還原基準電極(138)，其中所述氧還原基準電極(138)和所述氧還原測量電極(136)形成至少一個氧還原測量單元(168)，其中所述氧還原測量單元(168)與所述氧還原-泵單元(127)電流隔離。
8.按前一項權利要求所述的裝置(144)，其中此外所述氧還原測量單元(168)還與所述泵單元(152)電流隔離。
9.按前一項權利要求所述的裝置(144)，其中所述氧還原測量電極(136)與所述氧還原-泵單元(127)的內部的泵電極(124)並且/或者與所述能夠用來自測量氣體室(112)的經過濃縮的氣體來加載的泵電極(128)電連接。
10.按前述裝置權利要求中任一項所述的裝置(144)，其中所述氧還原-泵單元(127)和所述泵單元(152)分別具有相互絕緣的固體電解質(122)，其中所述固體電解質(122)通過至少一個絕緣層(190)彼此分開。
11.按前述裝置權利要求中任一項所述的裝置(144)，其中所述傳感器元件(110)另外包括至少一個基準氣體室(130、210)，其中在所述基準氣體室(130、210)中設置了至少一個基準電極(138、156)，其中所述基準電極(138、156)與所述測量電極(154)—起形成測量單元(160)，其中所述測量單元(160)與所述氧還原-泵單元(127)電流隔離。
全文摘要
提出一種用於檢測測量氣體室(112)中的至少一種氣體成分的份額的方法。在此使用至少一個傳感器元件(110)。該傳感器元件(110)具有至少一個用於使所述氣體成分濃縮的氧還原-泵單元(127)。此外，該傳感器元件(110)具有至少一個布置在所述氧還原-泵單元(127)後面的、設有至少兩個泵電極(128、150、154)的泵單元(152)。此外，所述傳感器元件(110)具有至少一個氣密的腔室(148)。所述泵電極(128、150、154)中的至少一個泵電極能夠用來自所述測量氣體室(112)中的通過所述氧還原-泵單元(127)濃縮的氣體來加載。所述泵電極(128、150、154)中的至少另一個泵電極布置在所述氣密的腔室(148)中。此外，至少一個測量電極(150、154)布置在所述氣密的腔室(148)中。所述氧還原-泵單元(127)和泵單元(152)電流隔離。所述方法具有以下階段初始化階段，其中在該初始化階段中通過泵送在所述氣密的腔室(148)中建立或者重建所定義的初始狀態；以及濃縮階段，在該濃縮階段中通過經由所述泵單元(152)進行的泵送來使一定量的氧氣濃縮在所述氣密的腔室(148)中，其中所述氧氣的量代表著氣體成分在測量氣體中的份額的尺度。從所述測量電極(150、154)的電位的電位曲線中推斷出所述氣體成分的份額。
文檔編號G01N27/419GK102639995SQ201080055823
公開日2012年8月15日 申請日期2010年10月21日 優先權日2009年12月9日
發明者B.克拉默, B.西爾曼, D.利默斯多夫 申請人:羅伯特·博世有限公司