被加热的安培计传感器及其运行方法技术

为了运行测量电流的固体电解质传感器，该固体电解质传感器具有借助电绝缘层与传感元件分开的加热器，尤其是规定，在传感元件和加热器之间施加电偏压，以致传感元件的电位范围和加热器的电位范围不重叠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】现有技术本专利技术涉及一种根据相应的独立权利要求的前序部分所述的、基 于固体电解质的安培计传感器，以及一种用于其运行的方法。这里所涉及的安培计传感器主要在电化学的测针和探针中被采 用，例如用于确定尤其是内燃机的气体的氧气含量和气体混合物的入 值。这种基本上平面构造的传感元件由于简单和廉价的制造方式在实 践中已经受住考验，因为这些传感元件能比较简单地被制造。在制造 时大多从小片状的或者箔状的固体电解质出发，即从离子导电的材料 出发，例如从这种由稳定的氧化锆制成的材料出发。在实践中，按照扩散阻力原理工作的平面极谱法传感元件(探针)已针对这里所涉及的传感器得到特别的意义。例如从DE-0S 35 43 759 和DE-0S 37 28 618以及EP-A 0 142 992、 EP-A 0 142 993、 EP-A 0 148 622和EP-A 0 194 082中7〉知这种类型的传感元件。在这样的极 镨法传感元件中，测量在施加在传感元件的两个电极上的恒定电压下 的扩散电流或者扩散极限电流。在燃烧过程中形成的废气中，该电流 如气体向被布置在传感元件中的抽运电极(Pumpelektrode )的扩散确定进行的反应的速度那样长期地与氧气浓度有关。公知的是，用以下 方式来构造这样的按照极谱法测量原理工作的极谱法传感元件，即不 仅阳极而且阴极遭受要测量的气体，其中，阴极具有扩散势垒。这种安培计传感器的运行要求将传感元件的温度调节到600 。C之 上的、在+/-50°C的范围中的固定值。为此在通常的平面传感器结构(图 1 )中设置了由加热元件75和加热器引线80所组成的内部加热器。通过调节电加热功率能影响传感元件的温度。电加热功率通常通 过本身公知的脉宽调制法(PWM)来调整，其中，在高电位上运行加热 器，即在关断状态下，整个加热器位于正的电池电压(11. 4 V. . 13. 8 V)，而在接通状态下，加热器端子接地，以致加热电流从正的加热器 端子流向负的加热器端子。这种加热器也具有从DE-0S 38 11 713中预先/>知的平面极^普法 传感元件(探针)，该传感元件具有抽运单元(Pumpzelle) (A)和在抽运单元的抽运电极之前具有扩散阻力的扩散单元(R)，其中，通 过在未烧结的传感元件中所嵌入的、多孔烧结的铸模(Formkoerper) 构成扩散阻力。如果基于固体电解质的平面传感元件现在具有集成的加热器，则 该加热器以本身公知的方式被埋入到例如Ah03的绝缘材料中，其中， 加热器和绝缘材料又被埋入到离子导电的固体电解质材料中。这种埋入的缺点是，存在着将加热器电耦合输入到被集成在传感 元件中的测量单元(多个测量单元)或"抽运单元(多个抽运单元)" 中的危险。其原因可能是固体电解质与加热器之间的太小的绝缘层 厚度，由于针孔(pinhole)、裂紋或缺陷处而引起的有缺陷的绝缘层， 或绝缘材料本身的有限的绝缘能力。例如从DE 43 43 089 Al中得知这种传感元件。该传感元件具有 被埋入在电绝缘材料中的加热导线，其中，尤其是电绝缘材料的一部 分借助至少一个空腔与传感元件的固体电解质衬底电流分开。这个或 这些空腔实现了加热导线与传感元件的测量单元的显著改善的电解 耦。这些空腔的厚度约为2ym至40jum。不仅加热器而且电绝缘材料大多以厚层技术来实施，也就是将它 们作为丝网印刷层压印到陶瓷的电解质衬底(优选的ZrOO上。在此 借助白金膏来制造加热器压印层，由现有技术的大规模技术的制造工 艺决定地，该白金膏包含诸如Ti、 Ca、 Na、 K的碱离子。绝缘膏和Zr02 衬底可能附加地包含其它杂质。在烧结传感元件期间，这些杂质通过 从加热器层扩散到达周围的绝缘层中。现在在加热器运行时，杂质导 致电耦合输入到传感器电极的信号上。按照现有技术的上述加热器装置因此总共具有以下缺点由计时 的加热器运行所引起的容性耦合输入和漏电流导致了探针信号中的测 量误差。绝缘层的绝缘作用越差，该测量误差则越大。为了使用化学 方法来提高绝缘层的绝缘电阻，必须在加热膏中、在绝缘膏中和在Zr02 衬底中降低杂质浓度。为此必须采用具有较高纯度的材料和与此相协 调的制造方法，这引起每个传感元件或传感器的成本更高。
技术实现思路
本专利技术所基于的思想在于，通过一种电气方法来提高加热器与固 体电解质或传感元件之间的绝缘电阻，以便因此为了所述的、将纯材 料用在制造工艺中而提供了廉价的、能简单实现的替换方案或补充方案。根据本专利技术的、用于提高绝缘电阻的电气方法基于，在加热器与 传感元件之间、优选地在加热器与传感元件的电极端子之间施加电偏压。在一种优选的改进方案中，在加热器电源的接地与用于给传感元 件供电的稳压器的接地之间施加电偏压，以致可以将传感元件中的电 极的电位和加热器端子的电位互相相对移动到可自由选择的值上(图3) 电偏压促使绝缘电阻增加。对此的一种可能的解释是，可移动的 载流子由绝缘层中的电场推动地按照极性要么运动到绝缘层的边缘 上，要么向加热器运动，并且绝缘层中的杂质浓度因此下降(图2)。附图说明以下参考附图借助实施例来深入说明本专利技术，从这些实施例中得 出了本专利技术的其它特征和优点，其中，分别通过一致的参考符号来参 考附图中的相同或功能相同的特征。在附图中图1详细示出根据现有技术的测量电流的废气传感器的典型装置，其中可采用本专利技术；图2详细示出在图1中所示出的废气传感器的示意性局部放大图，用于图解说明用于解释提高绝缘层的绝缘电阻的、根据本专利技术的 载流子移动；图3详细示出本废气传感器的传感元件的电气等效电路图和具有 根据现有技术的、被布置在其间的绝缘层的加热器的电气等效电路图；图4a详细示出根据现有技术的传感器电极和加热器的典型的第一电位位置；图仆详细示出根据现有技术的传感器电极和加热器的典型的第二电位位置；图5a详细示出才艮据本专利技术向上缩小的、加热元件的电位范围； 图5b详细示出根据本专利技术向下缩小的、加热元件的电位范围； 图 6a详细示出根据本专利技术向上增大的电压偏移 (Spannungshub ) j图6b详细示出根据本专利技术向下增大的电压偏移；图7详细示出在不对称设计的加热元件引线的情况下根据本专利技术向上增大的、传感器电极的电位范围；图8a详细示出根据本专利技术执行的、图2中所示的废气传感器的交替操作，其中该传感器向上不充分地(歸ger )并且向下充分地(fett )来运行；和图8b详细示出根据本专利技术所执行的、图2中所示出的废气传感器 的交替操作，其中该传感器要么在入=1时利用APE在HZ+上不充分地 运行要么利用LR在HZ+上充分地运行。具体实施方式图1简化地示出测量电流的废气传感器的电路技术装置。该废气 传感器包括抽运单元10和被安放在衬底5上的测量单元15。衬底5 当前由二氧化锆(ZrOO构成。在抽运单元10上，在废气传感器的感 测(sensierend)范围(在图1中为左边的末端范围)中，既布置由 两部分组成的内抽运电极(IPE) 20、 20，，又布置外抽运电极(APE) 25。内抽运电极20、 20，尤其是被布置在空腔30中。在测量单元15之下构造了用纯的外部空气供给的空气参考腔 35，在该空气参考腔35中，靠近废气传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于运行测量电流的固体电解质传感器的方法，该固体电解质传感器具有传感元件和具有加热器，该加热器借助电绝缘层与传感元件分开，该加热器由至少一个加热元件和至少两个加热元件引线构成，其特征在于，在所述传感元件与所述加热器之间施加电偏压，以致传感元件的电位范围和加热器的电位范围不重叠。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B克拉默，B舒曼，T奥克斯，H希克莱恩，S蒂曼汉德勒，
申请(专利权)人：罗伯特博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]