气体传感器控制设备的制作方法

专利名称：气体传感器控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器控制器，并且更具体地涉及连接到诸如NOx传 感器等的气体传感器的气体传感器控制设备，用于基于该气体传感器的输 出而检测特定成分的浓度。
背景技术：
近年来，对废气排放和燃效需求的更严格控制一直是一种发展趋势。 因而，需要提供与例如柴油机的NOx排放降低相关的技术以及与NOx净化 设备故障检测相关的另一技术。进一步，甚至汽油发动机具有扩展的应用， 该应用需要在稀薄燃烧区域中燃烧空气/燃料混合物并伴随有增加的NOx 排放。因而，需要提供与NOx排放控制相关的技术以及与NOx净化设备故 障检测相关的另一技术。由于这些情况，对NOx传感器的需求不断增长。 而且，该NOx传感器可以优选地包括利用氧化锆固态电解质体的多单元类 型的感测元件。
利用涉及上述NOx传感器的气体传感器，由于实际应用中传感器本身 所固有的误差因子以及存在于连接到该气体传感器的检测电路中的另一误 差因子，在传感器电流测量值上存在输出误差。气体传感器误差因子的示 例可以包括个体差异和随时间的劣化等。检测电路的误差因子的示例包括 电路元件的精度和温度特性等。特别是，利用NOx传感器，弱的传感器电 流取决于NOx浓度而流动，导致由于误差因子引起的的检测精度下降的进 一步增加的风险。利用被设置以检测氧气浓度的氧气传感器(A/F传感器)， 传感器电流以mA级存在。相对而言，NOx传感器生成nA级的传感器电 流，其与上述氧气传感器的电流级别相差4-5个数量级。
利用现有技术解决这种问题，已试图提供具有设置在传感器电流所流 经的电流通路上的开关的检测电路。暂时打开该开关以切断流经该检测电 路的传感器电流，并且在这种状态下获取传感器电流测量值以计算该检测电路的输出误差(例如，参见公开号为2005-326388的日本专利申请)。
然而，利用具有设置在传感器电流所流经的电流通路上的开关的这种 结构的检测电路，应该考虑由该开关导致的对传感器电流检测的负面影响。 在使用包括例如半导体开关元件的开关的情况下，会在开关元件中出现几 十nA数量级的泄漏电流(漏电流)。由此，当测量弱电流时，诸如在检测 NOx浓度的阶段，会担心出现测量误差，并且具有改善的空间。
同时，利用涉及上述NOx传感器的气体传感器时，需要检测气体传感 器的功能是正常的并且检测项目的示例包括对于感测元件的断开确定。在 利用汽车废气气体传感器时，可能要在法律和规范的规定下来指定断开确 定。用于检测气体传感器中的故障的技术示例可以包括基于例如A/F传感 器的元件阻抗来检测传感器断开。更具体地是，在检测阻抗时，在设置的 电压中发生扫描变化(sweep variation)以获得电流变化幅度或者可以在这 种扫描变化期间计算阻抗值。因此，基于电流变化幅度或阻抗值来执行故 障检测。通过基于元件阻抗来进行故障检测，即使传感器输出是"0"，也 可能做出关于是正常操作还是故障操作的査询。即，利用以理论的空气燃 料比(化学计量比)为目标的空气/燃料比反馈控制，传感器输出在大约是 "0"处保持不变，即使在这种情况下，仍可以检测诸如断开等的故障。
然而，禾拥被设置以检测例如以NOx检测信号为例的弱电流的电路， 可以在公共电路上实现弱电流检测和阻抗检测，导致NOx检测精度劣化的 风险。即，由阻抗检测所得到的电流级别是mA级。相反，NOx检测信号 的电流级别处于nA级，电流级别彼此相差4-5个量级。因此，很难以增加 的精度执行NOx检测和阻抗检测，这导致检测NOx浓度的精度的劣化。
进一步，已经提供一种技术，其中检测电路具有设置在NOx检测电流 所流经的电流通路上的开关(例如，参见公开号为2005-3263880的日本专 利申请)。通过使用这种技术，可以适当地切换NOx检测电路和阻抗检测 电路，从而有可能根据需要来提取电流级别的信号。
然而，利用这种结构，其中在检测电路中在NOx检测电流所流经的电 流通路中设置有开关，需要考虑该开关会不利地影响NOx电流检测。艮口， 利用包括例如半导体开关元件的开关，会在开关元件中出现几十nA级的泄 漏电流(漏电流)。因此，在测量弱电流时，诸如在检测NOx浓度等的阶段，具有测量误差的风险，并且具有改善的空间。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种气体传感器控制设备，其中适当地计
算用于校正元件电流的电流校正值以利用较高的精度来检测诸如NOx浓度 之类的特定成分浓度。
本发明的另一目的是提供气体传感器控制设备，其中可以合适地确定 诸如活动性不足或断开之类的故障，同时抑制对检测气体浓度的精度的不 利影响。
下面描述了用于解决上述问题的结构和有利的效果。 根据本发明，将气体传感器控制设备连接到气体传感器，该气体传感 器控制设备包括固态电解质体以在该固态电解质体上形成的一对电极，其 中在接收到经该对电极施加的电压时，根据测量气体中的特定成分浓度而 生成元件电流。利用该气体传感器控制设备，利用电压-电流转换器测量元 件电流并且将利用该电压-电流转换器所测量的元件电流的测量结果从输出 电路输出作为元件电流测量值。进一步，在存在从施加电压设置电路所施 加的电压的情况下，基于从输出电路输出的元件电流测量值来计算特定成 分的浓度(氧气浓度和NOx浓度等)。
利用本发明的一个实施例，开关装置(如图4所示的开关电路71)设 置在没有元件电流流过的元件电流流动禁止通路中。在该开关装置关闭时， 调节施加电压设置电路的设置电压(所施加的电压)以使得电压-电流转换 器的两个端子之间的电位差处在预定的特定值。通过使用这种状态下输出 电路的输出值来计算用于校正元件电流的电流校正值。还在基于元件电流 测量值来检测气体浓度时，暂时闭合开关装置以计算电流校正值。 利用这种结构，使开关装置进入闭合状态允许建立两个阶段。 在一个阶段中，电压-电流转换器的传感器侧端子电压在反馈回路中被 输入到施加电压设置电路。
在另一阶段中，对反馈输入做出响应而调节施加电压设置电路所施加 的电压，以使得电压-电流转换器的两个端子之间的电位差处在预定的特定 值。
10在操作时利用这种阶段，可能适当地获得用于校正等于即时气体传感 器控制设备特性中的变化分量的用于校正元件电流的电流校正值。即，通 过将当电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被设置成特定值时出现的 元件电流测量值(利用电路所实际测量的元件电流值)与待原始输出的输 出值(设计值等)做比较，可以根据这些因子的差异来计算用于校正元件 电流的电流校正值。
利用本发明的当前实施例，开关装置设置在元件电流流动禁止通路上， 在该元件电流流动禁止通路中没有元件电流流动。这可以避免导致由于在 开关装置，即诸如电阻器等的半导体切换元件上所感应的漏电流引起的元 件电流测量值的误差的不便。特别地，当测量弱的元件电流时，由于存在 开关装置，所以在电流测量值中出现误差是可能的。这种误差导致对检测 气体浓度结果的不利影响增强。然而，提供这种开关装置可以避免出现这 种不便。
利用上述本发明的当前实施例，此外，可以适当地利用提高检测气体 浓度的精度的合成能力来计算用于校正元件电流的电流校正值。
利用本发明的当前实施例，闭合开关装置允许电压-电流转换器的两个 端子之间的电位差被调零。这允许在电位差保持为零的情况下能够得到输 出电路的输出值。在这种情况下，由于电压-电流转换器的两个端子之间的 电位差被调零，可能建立一种状态，其中没有元件电流流动，即，元件电
流^0nA的状态，并且在元件电流-0nA的状态下得到电流校正值。
进一步，如这里所使用的，"电压-电流转换器的两个端子之间的电位差 被调零"的状态相应于流经感测元件的电流是OnA或大约OnA的状态。在 这种情况下，实际电路结构包括许多电路元件并且由于存在这种电路元件， 可忽略的电流流经实际电路结构。严格地讲，尽管没有一种情况代表"元 件电流s0nA"的状态，但是假设由于这种电路结构导致的这种可忽略的电 流流动的存在与电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零的状态相 对应。
电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零的状态(即，元件电 流s0nA的状态)表示特定成分浓度=0% (或0ppm)并且元件电流aOnA。 在这种情况下，在电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零的状态(即，元件电流aOnA的状态)下的元件电流测量值与偏移误差相对应。因 此，在电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零的状态下，可以优 选地将偏移校正值计算为电流校正值。
禾I拥本发明的当前实施例，经由第一反馈通路(图4中的反馈通路L1)，
输出电路的输出被以反馈形式输入到施加电压设置电路，并且经由第二反 馈通路(图4中的反馈通路L2)，在电压-电流转换器的传感器侧端子处的 电压被以反馈形式输入到施加电压设置电路。开关装置设置在两个反馈通 路的第二反馈通路中。在正常浓度检测操作期间，两个反馈通路中的第一 反馈通路进入到导通状态，以允许施加电压设置电路根据以反馈形式经由 第一反馈通路输入的所述输出电路的输出来设置所述施加电压。在计算用 于校正元件电流的电流校正值的操作期间，仅两个反馈通路中的第二反馈 通路进入到导通状态，以允许所述施加电压设置电路根据以反馈形式经由 第二反馈通路输入的电压-电流转换器的传感器侧端子电压来设置所述施加 电压。
利用这种结构，合适地选择到施加电压设置电路的反馈通路的步骤能 够临时中断气体浓度检测操作，此时，可以计算电流校正值。
利用本发明的当前实施例，将电压跟随器和同相放大器电路中的至少 一个设置在电通路，通过该电通路，电压-电流转换器的传感器侧端子和施 加电压设置电路彼此电连接。开关装置设置在电压跟随器和同相放大器电 路中的至少一个以及施加电压设置电路之间的通路中。利用这种结构，没 有元件电流流经电压跟随器和同相放大器电路中的至少一个与施加电压设 置电路的输出侧。这使得能够在电压-电流转换器的传感器侧端子和施加电 压设置电路之间的电通路中建立通路，在该通路中没有元件电流流过。利 用设置在这种通路上的开关装置，可以防止该开关装置不利地影响元件电 流。
利用本发明的当前实施例，施加电压设置电路包括具有负反馈部分的 运算放大器，并且电压-电流转换器在负反馈部分外侧的位置处连接到运算 放大器的输出侧。利用这种结构，测量位于电压-电流转换器的至少传感器 相对侧端子处的电压的步骤允许测量元件电流。此外，可以控制运算放大 器的输出端子电压，即电压-电流转换器的传感器相对侧端子处的电压，从而能够使传感器相对侧端子处的电压相对于传感器侧端子处的电压增大或 减小。换言之，可以控制电压-电流转换器的两个端子之间的电位差。因此， 这能够允许电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零或被控制到其 它不同的值。
利用本发明的当前实施例，设计结构以使开关装置保持闭合，将施加 电压设置电路的施加电压相对于电压-电流转换器的传感器侧端子电压而设 置为具有给定电位差(#0)的电压。利用这种结构，使电压-电流转换器的 两个端子支架的电位差设置成除了调零值之外的给定值的步骤能够建立给
定的元件电流流动的状态。即， 一种情况代表具有"元件电流=给定值(#0)"
的状态。这导致能够在"元件电流=给定值"的状态下获取电流校正值。 当由于即时传感器控制设备的特性发生变化而出现增益误差时，将电
压-电流转换器的两个端子之间的电位差调节到至少两个不同的电压值，以 允许根据此时存在的电路输出来计算增益校正值。在这种情况下，可以按 照下述方式计算增益校正值。
利用本发明的当前实施例，当开关装置进入到闭合状态时，将施加电 压设置电路的施加电压调整为相对于电压-电流转换器的传感器侧端子电压 感应出多个电位差的电压，从而在电压待调整的多个状态下从输出电路获 取输出值。对在多个状态下获取的输出电路的输出值做出响应，校正值计 算装置将增益校正值计算为电流校正值。
利用本发明的当前实施例，当开关装置进入到闭合状态时，在第一状 态下将施加电压设置电路的施加电压调整为用于感应出相对于电压-电流转 换器的传感器侧端子电压的调零电位差的第一电压，并且在第二状态下将 施加电压设置电路的施加电压调整为用于感应出相对于电压-电流转换器的
传感器侧端子电压的给定电位差(#0)的第二电压。对在第一和第二状态
下所获取的输出电路的输出值做出响应，校正值计算装置将增益校正值计 算为电流校正值。
利用这种结构，当使电压-电流转换器的两个端子之间具有给定的电位 差时，电压生成部分允许将等于电压-电流转换器的两个端子之间的电位差 的电压输入到施加电压设置电路。在开关装置的闭合状态下允许将等于电 压-电流转换器的两个端子之间的电位差的电压输入到施加电压设置电路的
13步骤导致相对于电压-电流转换器的传感器侧端子电压的给定电位差(#0)
的出现。
简言之，利用上述的本发明，将电压生成部分连接到施加电压设置电 路的输入作为使电压-电流转换器的两个端子之间产生电位差的结构。在这 种情况下，根据电压生成部分的输出电压，在电压-电流转换器的两个端子 之间出现电位差，这使得能够将两个端子之间的电位差设置为任意级别。
进一步，可以将测量气体中特定成分的浓度调节到两个或两个以上的 基准浓度(即，例如，用于检测废气中的氧气浓度化学计量状态和大气状 态)。在这种情况下，在调节到这种基准浓度之后测量元件电流的步骤使得 能够利用各自的测量值来获取增益误差。在不能将测量气体中特定成分的 浓度调节到两个或两个以上的基准浓度的另一情况下，有效的办法是提供 电压生成部分以允许将等于两个端子之间的电位差的电压输入到施加电压
设置电路。即，这种方法对于用于检测例如废气中的NOx浓度的气体传感 器控制设备很有效。
利用本发明的当前实施例，此外，校正值计算装置可以优选地在感测 元件保持在激活状态下时计算电流校正值。这允许在连接到该感测元件的 端子部分处出现稳定电压，以使得能够获得具有更大精度的电流校正值。
可以适当地将用于实现本发明的气体传感器控制设备应用到下述类型 的气体传感器中。即，气体传感器可以优选地包括由固态电解质体和暴露 于气体腔室的第一和第二单元(泵单元和传感器单元)构成的感测元件。 第一和第二单元中的每一个由形成在固态电解质体上的一对电极构成。该 第一单元将进入到测量气体腔室的测量气体的氧气量调整到给定的浓度等
级别，并且第二单元检测具有经该第一单元调整后的氧气量的测量气体的 特定成分。利用气体传感器控制设备，电压-电流转换器测量在该第二单元 中产生的第二单元电流以提供第二单元电流测量值，基于该第二单元电流 测量值，可以计算特定成分的浓度。在这种情况下，利用该第二单元所测 量的特定成分的浓度的示例包括除了氧气外的NOx和HC等的浓度。在这 种情况下，用于检测相关浓度的元件电流很弱。例如，用于检测NOx浓度 操作的元件电流处在nA (毫微安培)数量级。在这一方面，利用具有上述 各个特征的该结构，即使元件电流很弱，也可以适当地检测气体浓度。利用本发明的气体传感器控制设备，具有上述第一和第二单元的气体 传感器(感测元件)可以进一步优选地包括用于检测测量气体腔室中测量 气体的剩余氧气浓度的第三单元(监控器单元)。利用这种气体传感器，第 二和第三单元具有以公共电极形成的电极，从公共驱动器电路部分向该公 共电极施加电压。在这种情况下，该气体传感器控制设备包括用于测量在 第二单元中产生的第二单元电流的第二单元电流检测电路以及用于测量在 第三单元中产生的第三单元电流的第三单元电流检测电路，并且第二和第 三单元结合有开关装置。基于在利用开关装置将第二和第三单元电流检测 电路闭合的情况下所获取的输出电路的输出值，第二单元电流检测电路和 第三单元电流检测电路可以计算用于校正第二单元电流的电流校正值和用 于校正第三单元电流的电流校正值。
利用这种结构，单独断开或闭合分别位于用于第二和第三单元的电流 检测电路中的开关装置，从而使得能够单独计算各自电流检测电路的特性 变化(电路误差)。与将开关装置设置在对于第二和第三单元共用的驱动器 电路部分中的结构相比，这种结构使得能够以更高的精度计算电流校正值。
进一步，可以优选地提供故障确定装置，用于基于来自校正值计算装 置的用于校正元件电流的电流校正值来确定在感测元件和传感器电路的至 少一个中出现的故障。即，在感测元件和传感器电路的至少一个中出现故 障期间存在风险，这是因为按照上述方式计算的电流校正值具有不可能的 值(利用校正不能解决的值)。因此，可以通过使用电流校正值来执行故障 确定。
进一步，可以优选地提供电压施加中断装置，用于在故障确定装置确 定存在故障时中断施加到感测元件的电压。这抑制了在故障出现时对感测 元件连续施加电压所导致的对感测元件的不利影响，从而保护该感测元件。
利用本发明的另一实施例，连接到气体传感器控制设备的气体传感器 包括感测元件，该感测元件由固态电解质体和形成在该固态电解质体上的 一对电极构成，其中在接收到施加到该一对电极上的电压时，根据测量气 体中特定成分的浓度而产生元件电流。利用该气体传感器控制设备，利用 电压-电流转换器测量元件电流并且将利用该电压-电流转换器所测量的元 件电流的测量结果输出作为来自输出电路的元件电流测量值。进一步，在来自施加电压设置电路的施加电压存在的情况下，基于从输出电路输出的
元件电流测量值来计算特定成分的浓度(氧气浓度和NOx浓度等)。
利用本实施例，将开关装置(如图4所示的开关电路71)连接到电通 路中没有元件电流流动的通路，通过该电通路，电压-电流转换器的传感器 侧端子与施加电压设置电路彼此电连接。在开关装置关闭时，电压-电流转 换器的两个端子之间的电位差被调零，在该情况下检测感测元件的电动势。 然后执行操作以基于所检测到的电动势来确定感测元件和传感器电路的至 少一个中的故障。此外，在基于元件电流测量值检测气体浓度时，可以瞬 时闭合开关装置以检测电动势。
利用这种结构，通过使电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调 零，可以建立一种没有元件电流流动的状态，即，元件电流"0nA的状态， 并且可以适当地检测感测元件的电动势。此时，如果感测元件遇到故障， 例如损害或活动性不足等或例如传感器电路断开等其它故障，则不能得到 合适的传感器电动势值。这使得能够基于传感器电动势来进行故障确定。
利用本实施例，将开关装置设置在没有元件电流流动的通路上。这可 以避免导致由于在开关装置，即诸如电阻器等的半导体切换元件，上所感 应的漏电流引起的元件电流测量值的误差的不便。特别地，当测量类似NOx 检测电流的弱的元件电流时，由于开关装置的存在，在电流测量值中出现 误差是可能的。这种误差导致对检测气体浓度结果的不利影响增强。然而， 可以避免这种不便。
利用上述的本实施例，可以正确地确定诸如传感器中产生的断开之类 的故障，同时使对检测气体浓度的精度的不利影响最小化。
进一步，电压-电流转换器的两个端子之间的电位差"被调零"的状态 与流经感测元件的电流是0nA或接近0nA的状态相对应。在这种情况下， 实际电路结构由许多电路元件组成并且由于存在这样的电路元件，可忽略 的电流流经实际电路结构。严格地讲，尽管没有一种情况代表"元件电流 0nA"的状态，但是假设由于这种电路结构导致的这种可忽略的电流流动 的存在与电压-电流转换器的两个端子之间的电位差"被调零"的状态相对 应。
可以通过使用下述的该结构将电压-电流转换器的两个端子之间的电位
16差调零。即，可以将气体传感器控制设备优选地设置在该结构中，以使得 在开关装置闭合时，在反馈回路中将电压-电流转换器的传感器侧端子电压 输入到施加电压设置电路，以允许由该施加电压设置电路所确定的设置电 压等于传感器侧端子电压。
作为检测传感器电动势的方法，可以在开关装置闭合时使用电压-电流 转换器的传感器侧端子电压来优选地检测感测元件的电动势。可替代地， 在开关装置闭合时测量感测元件的正端子和负端上处的电压并且执行操作 以基于测量电压值之间的差值来检测感测元件的电动势。
利用上述这种结构的任一种，可以适当地检测电动势。然而，使用感 测元件的正端子和负端子的测量电压值之间的差值的步骤使得能够以较高 的精度可靠地检测电动势。
利用本实施例，可以优选地将电压-电流转换器的传感器侧端子经由偏 置电阻器而连接到基准电位部分(例如以接地为例)。简言之，在诸如断开 等的故障出现时，不生成传感器电动势，导致不确定的电路输出。利用这 种结果，即使传感器电动势不存在，偏置电阻器也允许电压-电流转换器的 传感器侧端子电压被保持在给定的电压。因此，即使电动势不存在，也可 以使电路输出稳定，以能够检测到传感器电动势作为故障值。
利用本实施例，可以优选地提供第一反馈通路(如图4中的反馈输入 电通路L1)和第二反馈通路(如图4中的反馈输入电通路L2)，其中，该 第一反馈通路导致输出电路的输出在反馈回路中被输入到施加电压设置电 路并且该第二反馈通路导致电压-电流转换器的传感器侧端子电压在反馈回 路中被输出到施加电压设置电路。在这两种反馈通路中，第二反馈通路包 含开关装置。在正常浓度检测操作期间，仅该两个反馈通路的第一反馈通 路进入到导通状态以允许施加电压设置电路根据在反馈回路中经由该第一 反馈通路输入的输出电路的输出来设置施加电压。进一步，在检测电动势 的操作期间，仅两个反馈通路中的第二反馈通路进入到导通状态以允许施 加电压设置电路根据在反馈回路中经由第二反馈通路输入的电压-电流转换 器的传感器侧端子电压来设置施加电压。在这种情况下，电压-电流转换器 的两个端子之间的电位差被调零。
利用这种结构，适当地使反馈通路切换到施加电压设置电路的步骤使得气体浓度检测被临时中断，从而检测传感器的电动势。
利用本实施例，电压跟随器和同相放大器电路中的至少一个设置在电 电通路中，通过该电通路，电压-电流转换器的传感器侧端子和施加电压设 置电路彼此电连接。开关装置设置在电压跟随器和同相放大器电路中的至 少一个与施加电压设置电路之间的通路中。利用这种结构，没有元件电流 流经电压跟随器或同相放大器电路中的至少一个。这使得能够在电压-电流 转换器的传感器侧端子与施加电压设置电路之间的电通路中提供没有元件 电流流动通路。此外，在这种通路中提供开关装置防止了该开关装置不利 地影响元件电流。
利用本实施例，施加电压设置电路可以优选地包括具有负反馈部分的 运算放大器并且在负反馈部分的外侧位置处将电压-电流转换器优选地连接 到运算放大器的输出侧。利用这种结构，测量电压-电流转换器的至少传感 器相对端子的电压的步骤使得元件电流能够被检测到。此外，可以控制运 算放大器的输出端子电压，即电压-电流转换器的传感器相对端子处的电压。 相对于传感器侧端子电压而言，这能够增大或减小传感器相对侧端子电压。 换言之，可以控制电压-电流转换器的两个端子之间的电位差。因此，这可 以使电压-电流转换器的两个端子之间的电位差被调零。
利用本实施例，可以优选地提供端子电压测量装置，用于测量连接到 感测元件的各自电极的端子部分处的电压。进一步，不仅可以基于电动势 优选地做出故障确定，而且可以基于感测元件和传感器电路中的至少一个 并基于各自端子电压而优选地做出故障确定。这导致不仅能够检测诸如击 穿、活动性不足和断开等的故障而且能够检测诸如电力不足和感测元件的 电极接地短路的其它故障。
利用本实施例，可以优选地提供电压施加中断装置，用于当做出存在 故障的确定时中断到感测装置的设置电压的施加。这消除由于在出现故障 时连续先感测元件施加电压导致的对该感测元件的不利影响，从而使该感 测元件有利地得到保护。
利用本实施例，可以优选地在感测元件处在活动性状态的情况下执行 电动势检测。即，在例如气体传感器启动期间，将该感测元件提升到给定 的活动性温度以处在完全活动性的状态，随后可以适当地检测传感器电动势。利用本发明，可以使由感测元件的不活动性(即，在较低的温度下) 引起的检测电动势的缺陷最小化。这使得能够以更大的精度进行故障检测。 利用本实施例，可以优选地将气体传感器控制设备应用到上述的气体 传感器中。即，气体传感器包括具有暴露于气体腔室的第一和第二单元的 感测元件。第一和第二单元中的每一个由形成在固态电解质体上的一对电 极构成。该第一单元将进入到测量气体腔室的测量气体的氧气量调整到给 定的浓度级别，并且第二单元检测具有经该第一单元调整后的氧气量的测
量气体的特定成分(NOx浓度)。利用气体传感器控制设备，电压-电流转 换器测量出现在第二单元中的元件电流。在这种情况下，利用该第二单元 所测量的特定成分包括除了氧气外的NOx和HC等的浓度，并且用于检测 这种浓度的元件电流很弱。例如，检测NOx浓度时的元件电流处于nA(毫 微安培)数量级。利用上述的各个特性特征，即使元件电流很弱，仍然可 以适当地检测气体浓度。
利用本实施例，可以优选地在测量气体腔室中的氧气浓度处在表示给 定浓度级别的较低氧气级别的情况下执行电动势检测。即，在例如气体传 感器启动期间，在使第一单元从测量气体腔室中适当地排放过多的氧气时， 可以适当地检测传感器电动势。因此，可以消除存在于测量气体腔室中的 过量氧气(氧气过量)所引起的检测电动势中的缺陷。这使得能够以更大 的精度执行故障检测。
可以认识到，测量气体腔室中的剩余氧气浓度递增地变化以使第二单 元的电动势根据剩余的氧气浓度而变化。利用本实施例，因此，可以优选 地检测存在于测量气体腔室中的的剩余氧气浓度并且根据存在于测量气体 腔室中的所检测到的剩余氧气浓度而将故障确定值设置为可变级别。然后， 基于故障确定值和所检测到的电动势来执行关于感测元件和传感器电路中 的至少一个的故障确定。因此，即使测量气体腔室中的剩余氧气浓度递增 地变化，也可以以较高的精度实现故障确定。


本发明的这些和其它特征以及优点将通过附图所说明的如下描述而变
得显而易见，其中图1是表示根据本发明实施例的气体传感器控制设备的截面图，该气
体传感器控制设备被应用到包括NOx传感器和NOx传感器电路的气体传感
器中，同吋说明了NOx传感器的元件内部结构；
图2是表示图1中所示的NOx传感器电路的轮廓的方框图3是表示图2中所示的传感器-单元/监控器-单元驱动器电路部分的
电路结构图4是表示图2中所示的Is检测电路部分的电路结构图； 图5是表示图2中所示的传感器-单元/监控器-单元保护电路部分的电 路结构图6是表示要由图1中所示的微计算机执行的用于传感器输出校正值
的计算例程的流程图7A是表示传感器电流Is与NOx浓度之间关系的图7B是表示监控器单元电流Im与NOx浓度之间关系的图7C是表示偏移误差(Is-Im)与NOx浓度之间关系的图8是表示要由图1中所示的微计算机执行的故障检测例程的流程图9A是根据本发明另一实施例的气体传感器控制设备的Is检测电路
部分的电路结构图9B是表示当以变化频率施加交流电压时对传感器单元的阻抗的频
率依赖结果；
图9C是表示传感器单元的操作状态的波形图10是表示要由图9中所示的第二实施例的Is检测电路部分执行的用
于传感器输出校正值的计算例程的流程图，
图11A是表示传感器单元电流Is与NOx浓度之间的关系图，并且示出
了增益误差；
图llB是表示监控器单元电流Im与NOx浓度之间的关系图，并且示 出了增益误差；
图IIC是表示偏移误差(Is-Im)与NOx浓度之间的关系图，并且示出 了增益误差；
图12是根据本发明另一实施例的气体传感器控制设备的Is检测电路部 分的电路结构图;
20图13是表示图1中所示的气体感测元件的第一修改形式的气体感测元 件的截面图14是沿图13中的A-A线提取的气体感测元件的截面图15是沿图13和图14中的B-B线提取的气体感测元件的截面图16是表示连接到NOx传感器电路的第一修改形式的气体感测元件
的截面图，其中该NOx传感器电路包括传感器电路、泵电路和监控器电路; 图17是表示图1中所示的气体感测元件的第二修改形式的气体感测元
件的截面图18是沿图17中的C-C线提取的气体感测元件的截面图； 图19是沿图17和图18中的D-D线提取的气体感测元件的截面图； 图20是表示图1中所示的气体感测元件的第三修改形式的气体感测元 件的截面图21是沿图20中的E-E线提取的气体感测元件的截面图； 图22是沿图20和21中的F-F线提取的气体感测元件的截面图； 图23是表示图1中所示的气体感测元件的第四修改形式的气体感测元 件的截面图24是沿图23中的G-G线提取的气体感测元件的截面图； 图25是沿图23和图24中的H-H线提取的气体感测元件的截面图； 图26是表示图1中所示的气体感测元件的第五修改形式的气体感测元 件的截面图27是沿图26中的I-I线提取的气体感测元件的截面图； 图28是沿图26和图27中的J-J线提取的气体感测元件的截面图； 图29是表示图1中所示的气体感测元件的第六修改形式的气体感测元 件的截面图30是沿图29中的K-K线提取的气体感测元件的截面图； 图31是沿图29和图30中的L-L线提取的气体感测元件的截面图； 图32是表示图1中所示的气体感测元件的第七修改形式的气体感测元 件的截面图33是沿图32中的M-M线提取的气体感测元件的截面图34是沿图32和图33中的N-N线提取的气体感测元件的截面图；图35是表示图1中所示的气体感测元件的第八修改形式的气体感测元 件的截面图36是沿图35中的P-P线提取的气体感测元件的截面图；以及 图37是沿图35和图36中的Q-Q线提取的气体感测元件的截面图。
具体实施例方式
现在，下面将参考附图详细描述根据本发明各个实施例的气体传感器 控制设备。然而，将本发明被理解为并不限于下面描述的这些实施例而且 可以结合其它公知技术或与所述公知技术具有等效功能的的其它技术来实 现本发明的技术概念。
在下列描述中，应该理解，诸如"右侧"、"左侧"、"基端部分"、"前 端部分"、"顶部"、"底部"、"上面"，"下面"、"前面"、"后面"、"传感器 侧端子"、"传感器的相对侧端子"、"传感器侧端子电压"、"传感器的相对 侧端子电压"等的术语是方便用词并且不应该被理解为限制性术语。
如这里所使用的，术语"传感器侧端子"是指设置在靠近传感器单元 的一个位置处的电流-电压转换器的一个端子，而术语"传感器的相对侧端 子"是指该电流-电压转换器的另一端子，即，设置在与传感器单元相对的 另一位置处的端子。类似地，术语"传感器侧端子电压"是指出现在电流-电压转换器的一个端子处的端子电压，而术语"传感器的相对侧端子电压" 是指在电流-电压转换器的另一端子处的端子电压。
现在，将参考附图详细描述根据本发明一个实施例的气体传感器控制
器°
下面参考NOx浓度检测系统来描述本实施例，该NOx浓度检测系统利 用安装在车上引擎的排气管上的NOx传感器，设置该NOx传感器以对从该 NOx传感器传送的输出做出响应而检测废气的NOx浓度。进一步，车上引 擎可以包括例如柴油机。该柴油机具有排气管，在该排气管上携带有废气 净化设备，该废气净化设备包括NOx净化催化剂(NOx阻塞减少类型的催 化剂和选择性减少催化剂等)。基于NOx传感器的输出进行废气净化设备 的故障诊断。在NOx净化催化剂的下游区域中的排气管上安装该NOx传感 器以传送该输出。对来自NOx传感器的输出做出响应以计算NOx净化催化
22剂的NOx浓度(NOx净化率)。如果发现所得到的浓度超过给定的故障确 定值，则做出NOx净化催化剂已失效的诊断。
首先，下面参考附图中的图1详细描述形成NOx传感器的气体感测元 件10。
如图1所示，感测元件IO采用具有如图1所示的内部结构的所谓叠层 (stack)类型的结构。应该理解图1中的横向方向代表感测元件IO的纵向 方向。感测元件10具有代表元件基端部分(适于被安装在排气管上)的右 侧和代表元件前端部分的右侧。
感测元件10具有包括泵单元、传感器单元和监控器单元的三单元结构。 按结构堆叠这些单元以形成组件。此外，与泵单元类似，监控器单元具有 从测量气体排放氧气的功能，并且因而，该监控器单元通常被称为辅助泵 单元或第二泵单元。
利用感测元件10，第一和第二电解质体11和12由诸如氧化锆等的氧 离子传导材料制成并且形成为类似薄片的结构。第一和第二电解质体11和 12经隔板13而彼此堆叠以彼此间隔开给定距离，该隔板13由诸如氧化铝 等的绝缘材料制成。其中，设置在上方区域中的第一电解质体ll具有形成 有废气进气口入口 lla的前端部分，经由该废气进气口入口 lla，在气体感 测元件10的前端部分周围区域弥漫的废气被引导到在第一和第二电解质体 11和12之间限定的第一腔室14。该第一腔室14经由阀部分15与第二腔 室16连通，其中该第二腔室16限定在第一和第二电解质体11和12之间， 并且阀部分15位于第一和第二腔室14和16之间。第一电解质体11具有 顶部表面，该顶部表面包括设置有用于将废气提取到第一腔室14中并且从 该第一腔室14排放废气的多孔扩散层17的一半以及设置有具有凹陷部分 19a的绝缘层19的另一半，该凹陷部分19a用于限定作为基准气体分隔室 的大气通道18。
进一步，第二固态电解质体12具有底表面，其上设置有具有凹陷部分 21a的绝缘层21，该凹陷部分21a用于限定大气通道22。将加热器(加热 体)23嵌入到绝缘层21中用于加热整个感测元件10。利用这种结构，加 热器23加热泵单元31、监控器单元34和传感器单元35。这有助于激活这 些单元31、 34和35。从外部电源(未示出)向加热器23提供电功率以生成热能。
设置在较低区域中的第二固态电解质体12具有面向第一腔室14设置 的泵单元31。该泵单元31用于将废气中的氧气引导到该第一腔室14中或 排放该氧气，以使得该第一腔室14中剩余的氧气浓度被调整为给定浓度。 该泵单元31包括一对上电极32和下电极33，第二固态电解质体12设置在 这两个电极之间。面向第一腔室14的上电极32用作NOx非活性电极(难 以分解NOx的电极)。该泵单元31对经电极32和33所施加的电压做出响 应而工作以使存在于该第一腔室14中的氧气被分解并且通过电极33排放 到大气通道22。
进一步，设置在上侧上的第一固态电解质体ll具有基端部分，该基端 部分形成有监控器单元34和传感器单元35。在泵单元31排放剩余氧气之 后，该监控器单元34在第二腔室16中产生取决于剩余氧气浓度的电动势 或对施加电压做出响应而生成电流输出。传感器单元35基于存在于该第二 腔室16中的气体来检测NOx浓度。
设置在并列位置并彼此靠近的监控器单元34和传感器单元35包括面 对第二腔室16设置的电极36和37以及面对大气通道18设置的公共电极 38。即，监控器单元34采取包括第一电解质体11以及电极36和公共电极 38的结构形式，其中电极36与公共电极38设置在相对的位置中并且中间 介入有第一电解质体ll。同样，传感器单元35采取包括第一电解质体11 以及电极37公共电极38的结构形式，其中电极37与公共电极38设置在 相对的位置中并且中间介入有第一电解质体11。监控器单元34的电极36 (设置在面向第二腔室16的位置)由对NOx没有活性的诸如Au-Pt之类的 贵金属制成。传感器单元35的电极37 (设置在面向第二腔室16的位置) 由对NOx有活性的诸如铂Pt和铑Rh等的贵金属制成。尽管为了方便起见， 图1示出了设置在相对于废气流向的前方和后方以并排结构设置的监控器 单元34和传感器单元35，但是应该理解，实际上，监控器单元34和传感 器单元35可以位于等同于废气流向的位置中。
这里，在感测元件10的纵向上并排放置泵单元31、监控器单元34和 传感器单元35。因此，该泵单元31位于感测元件10的前端部分处，而该 监控器单元34和传感器单元35位于感测元件10的基端部分(适于被安装在排气管上)处。
利用上述这种结构的感测元件10，经多孔扩散层17和废气进气口入口 11a将废气引导到第一腔室14。当废气通过泵单元31附近时，将泵单元施 加电压Vp施加在泵单元电极32和33的两端。在施加这种电压期间，发生 分解反应以使泵单元31根据第一腔室14中的氧气浓度来提取或排放氧气。 当这发生时，面向第一腔室14的第一泵单元电极32由NOx非活性电极组 成。因此，泵单元31不能分解废气中的NOx，而仅允许氧气被分解并且从 电极33排放到大气通道22。利用泵单元31的这种功能，第一腔室14被保 持在具有给定低氧气浓度的状况中。
通过泵单元31附近的气体(氧气浓度已被调节)流入第二腔室16，使 监控器单元34根据气体中剩余的氧气浓度而生成输出。在从监控器单元电 源Vm向监控器单元电极36和38的两端施加给定的监控器单元施加电压 时，将监控器单元34的输出检测作为监控器单元电流Im。进一步，从传感 器单元电源Vs向传感器单元电极37和38施加给定的传感器单元电压允许 气体中的NOx被分解而减少，将所得到的氧气经由电极38而排放到大气 通道18。当这发生时，电流(传感器单元电流I》流经传感器单元35，从 而检测废气中的NOx浓度。
为此，将感测元件10连接到NOx传感器电路40。该NOx传感器电路 40包括用作执行传感器控制主体的微计算机41以及控制电路部分(将在下 面参考图2进行描述)。该微计算机41和控制电路部分控制各个电压，包 括施加到泵单元31的电极32和33两端的泵单元电压Vp ;施加到监控 器单元34的电极36和38两端的监控器单元电压Vm以及施加到传感器单 元35的电极37和38两端的传感器单元电压Vs。微计算机41被顺序施加 有关于泵单元电流Ip、监控器单元电流Im和传感器单元电流Is的各种测 量值，根据这些参数的测量值，该微计算机41计算氧气浓度和NOx浓度。
图2是表示NOx传感器电路40的轮廓的方框图。NOx传感器电路40 不仅包括图中所示的各种电路,而且包括为了简要说明而在图2中未示出的
加热器驱动器电路。
如图2所示，NOx传感器电路40具有连接到泵单元31的电极32和 33的正端子PS+和负端子PS-、连接到监控器单元34和传感器单元35的公共电极38的公共端子COM+以及连接到监控器单元34和传感器单元35的 电极36和37的负端子MS-和SS-。
将泵单元驱动器电路部分42连接到泵单元31的正端子PS+以可变地 设置要施加到泵单元31的泵单元施加电压。将Ip检测电路部分43连接到 泵单元31的负端子PS-，用于检测泵单元电流Ip。泵单元驱动器电路部分 42根据利用Ip检测电路部分43所检测的泵单元电流Ip来控制泵单元施加 电压。将利用Ip检测电路部分43所检测的泵单元电流Ip顺序输入到微计 算机41。
进一步，将传感器-单元/监控器-单元驱动器电路部分44连接到传感器 单元35和监控器单元34的正电位侧的公共端子COM+以向其施加公共电 压。将Is检测电路部分45和Im检测电路部分46连接到传感器单元35和 监控器单元34的负端子SS-和MS-，分别用于检测传感器单元电流Im和监 控器单元电流Im。将Is检测电路部分45和Im检测电路部分46连接到微 计算机41 。 Is检测电路部分45和Im检测电路部分46计算根据传感器单元 电流Is和监控单元电流Im所测量的电流测量值VS1和VM1 ，该电流测量 值VS1和VM1被顺序输入到微计算机41 。此外，Is检测电路部分45和Im 检测电路部分46在各自端子COM+、 SS-和MS-处测量端子电压，该端子 电压被顺序施加到微计算机41 。
将传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48连接到传感器-单元/监控 器-单元驱动器电路部分44，用于中断到监控器单元34和传感器单元35的 电压施加以在出现故障等期间保护该监控器单元34和该传感器单元35。
下面将详细描述形成NOx传感器电路40 —部分的各个电路部分。然 而，利用本实施例，泵单元31具有与现有技术相同的电路结构，因此，这 里省略了泵单元驱动器电路部分42和Ip检测电路部分的细节。
图3是传感器-单元/监控器-单元驱动器电路部分44的电路结构图。在 图3中，将包括两个电阻器的分压器电阻电路51连接到恒压源(处在恒定 电压Vcc)并且将分压VX1施加到运算放大器52的"+"输入端子。该运 算放大器52具有输出端子，公共端子COM+经由开关电路53和保护电阻 器54连接到该输出端子。该运算放大器52具有负反馈部分，其中提供有 保护电阻器55。将电容器56连接到公共端子COM+，用于解决ESD (静
26电放电)问题。
进一步，将电压跟随器58经由保护电阻器57连接到与公共端子COM+ 处于相同电压的结点Al。利用传感器-单元/监控器-单元驱动器电路部分 44，将公共端子COM+处的电压输出作为公共端子电压Vcom。
开关电路53采取这样的结构形式对从传感器-单元/监控器-单元保护 电路部分48输入的电压施加中断信号SG1做出响应而接通和断开(闭合或 打开)，这将在下文中进行详细描述。将电压施加中断信号SG1经由反相电 路59施加到开关电路53。利用这种结构的电路，如果SG1="低"(在允许 电压施加的情况下)，则闭合开关电路53以允许分压器电阻电路51向公共 端子COM+施加分压VXl。此外，如果SGl-"高"(在中断电压施加的情 况下)，则打开该开关电路53以中断分压VX1到公共端子COM+的施加。
接下来将参考图4描述Is检测电路45的结构。在图4中，将传感器单 元35的负端子SS-连接到串联连接的电流-电压转换器61和差分放大器电 路62。在这种情况下，特别地，将电流-电压转换器61连接到用于代表形 成差分放大器电路62的运算放大器的输出的负反馈部分的外侧(反馈系统 的外侧)。该差分放大器电路62具有连接到电阻器分压电路63的"+"输 入端子以及连接有负反馈输入电通路Ll的"-"输入端子，该电阻器分压 电路63适于利用两个电阻器对恒定电压Vcc进行分压。
进一步，在电流-电压转换器61的两个端子(结点B1和B2)中，将 连接到负端子SS-的结点Bl (下文中将其称为"电流-电压转换器61的传 感器侧端子")经由保护电阻器64连接到电压跟随器65，该电压跟随器65 的输出端子连接到差分放大器电路66的"+"输入端子。此外，将结点B2 (下文中将其称为"电流-电压转换器61的传感器相对侧端子")连接到该 差分放大器电路66的"-"输入端子。因此，如果传感器单元电流Is流经 电流-电压转换器61，则取决于传感器单元电流Is，在电流-电压转换器61 的两个端子(即，两个结点Bl和B2)之间存在电位差。利用差分放大器 电路66以给定的放大倍数对该电位差进行放大，并且随后将该电位差输出 作为传感器-单元电流测量值VSl。
将用于代表差分放大器电路66的输出的传感器-单元电流测量值VS经 由负反馈输入电通路L1输入到差分放大器电路62的"-"输入端子。为了更具体地描述，该差分放大器电路66用作"输出电路"并且差分放大器电 路62用作"施加电压设置电路"。差分放大器电路66的输出端子以及差分 放大器电路62的"-"输入端子经由负反馈输入电通路L1而彼此连接。开 关电路67设置在负反馈输入电通路L1中以连接或断开(闭合或打开)电 通路Ll，该开关电路67还连接有包括电阻器和电容器的用于消除噪声的 LPF (低通滤波器)68。在正常检测操作中，开关电路67保持闭合，从而 允许代表该差分放大器电路66的输出的传感器-单元电流测量值VS1被以 反馈形式输入到差分放大器电路62。此外，该开关电路67包括诸如以晶体 管等为例的半导体开关(与下述的各个开关电路中的每一个中采用相同的
结构)。
电压跟随器65生成相等于结点Bl处的电压(即，传感器单元35的负 端子SS-上的电压)的输出电压，该输出电压作为传感器-单元端子电压VS2 输出。
此外，电压跟随器65的输出端子以及差分放大器电路62的"+ "输入 端子经由负反馈输入电通路L2而彼此连接，该负反馈输入电通路L2连接 到开关电路71，用于连接或断幵(闭合或打开)该负反馈输入电通路L2。 在正常操作中，该开关电路71保持打开，从而允许代表该电压跟随器65 的输出的传感器-单元电流测量值VS2以反馈形式被输入到差分放大器电路 62。这里，该电压跟随器65具有增大的输入阻抗并且没有元件电流流到该 电压根据器65的输出。因此，可以将负反馈输入电通路L2指定为没有元 件电流流动的元件-电流流动禁止通路。该开关电路71设置在元件-电流流 动禁止通路L2中。
连接到负反馈输入电通路Ll和L2的开关电路67和71具有这样的结 构对从微计算机41传输的具有高或低电平的电路切换信号SG2做出响应 而接通或断开(闭合或打开)。该电路切换信号SG2被原样地输入到开关电 路67并且还经反相电路72输入到开关电路71。利用本实施例，如果SG2= "高"，则闭合开关电路67并且断开开关71。此时，仅负反馈输入电通路 Ll和L2中的负反馈输入电通路L1进入到接通状态。相反，如果SG2-"低"， 则断开开关电路67并且闭合开关71。此时，仅负反馈输入电通路L1和L2 中的负反馈输入电通路L2进入到接通状态。在使断开和闭合时序相反的模式下断开和闭合开关电路67和71，从而使仅负反馈输入电通路Ll和L2 中的一个进入到接通状态。
当在正常操作期间检测NOx浓度时，即当测量根据废气的NOx浓度而 流动的传感器电流Is时，微计算机41输出处于高电平的电路切换信号SG2。 在这种情况下，差分放大器电路66的输出VS1经由负反馈输入电通路Ll 而被输入到差分放大器电路62的"-"输入端子。然后，根据差分放大器电 路66的输出VS1来放大差分放大器电路62的输出。此时，传感器单元电 流Is越大，输出VS1也更大，同时伴随有差分放大器电路62的输出减小。
相反，如果电流-电压转换器61的两个端子之间的电位差被调零并且流 经该电流-电压转换器61的电流是0nA，则微计算机41输出低信号作为电 路切换信号SG2。这使电压跟随器的输出VS2经由负反馈输入电通路L2 而被输入到差分放大器电路62的"+"输入端子。此时，该差分放大器电 路62将电流-电压转换器61的与传感器相对设置的端子(结点B2)处的电 压调节到与更靠近该传感器的端子(结点B1)处的电流-电压转换器61的 电压相同的电压。这使电流-电压转换器61的两个端子之间的电位差被调零 并具有没有电流流经该电流-电压转换器61的所得到的状态(g卩，表示为电 流0nA的状态)。在这种情况下，没有电流流经电流-电压转换器61的状态 代表NOx浓度-0ppm的状态。如果存在偏移误差，则在输出值中出现以该 误差为值的偏差。因此，可能基于这种输出而得到偏移误差。
进一步，来自微计算机41的作为电路切换信号SG2的低信号输出的存 在导致没有电流流经电流-电压转换器61的状态。此时，在传感器单元35 的负端子SS-处出现其电平取决于传感器电动势的电压，并且测量该电压作 为传感器-单元端子电压VS2。
在电流-电压转换器61的两个端子(结点B1和B2)中，将结点B1连 接到偏置电流电阻器75和ESD (静电放电)保护电容器76。即，偏置电流 电阻器75和ESD保护电容器76具有连接到电流-电压转换器61的传感器 侧端子(Bl)的端子以及连接到地的其它端子。偏置电流电阻器75具有例 如1MQ或更大的电阻值。
这里，利用连接到结点B1 (电流-电压转换器61的传感器侧端子)的 偏置电流电阻器75，当在诸如断开或元件破裂之类的故障存在的情况下以上述方式测量电动势时，可以将传感器-单元电流测量值VS2设置为固定电 压。换言之，可以获取一值，用于解决代表传感器-单元电流测量值VS2的 电动势中的故障。即，在诸如断开或元件破裂之类的故障出现的情况下， 没有电动势出现在传感器单元35中并且传感器-单元电流测量值VS2(附图 中结点Bl处的电压)是不确定的。然而，利用具有包含偏置电流电阻器 75的这种结构的Is检测电路部分45，即使在传感器电动势不存在的情况下， 仍然可以将传感器-单元电流测量值VS2保持在给定电压(该电压取决于偏 置电流电阻器75的电阻值)。因此，即使电动势不存在，传感器-单元电流 测量值VS2也是稳定的，这能够以异常值的形式检测传感器电动势。
利用当前实施例，进一步，偏置电流电阻器75具有连接到地的低电势 侧。本发明并不限于这样的电路连接并且可以采取一种结构，以使得将偏 置电流电阻器75的低电势侧连接到被保持在固定电压电势的基准电势。例 如，其它可选的结构可以包括偏置电流电阻器75具有连接到电源电路的一 端的结构以及偏置电流电阻器75的一段连接到输出给定电压的电路部分的 结构，其中该给定电压的范围在地电压和电源电压之间。
利用按照这种结构提供的偏置电流电阻器75，电流流经偏置电流电阻 器75并伴随有由流经电流-电压转换器61导致的电流量减小。因此，可以 将Is检测电路部分45设置在电路结构中，原因在于初始测量流经电流-电 压转换器61的电流量允许补偿测量电流的分量。
省略了相同部分:冗余说明和描述。即，如图4所示:电路也可J原封不 动地作为Im检测电路部分46。如图2所示，微计算机41输出用于监控器 单元的被施加到Im检测电路部分46的电路切换信号SG3。在接收到电路 切换信号SG3时，Im检测电路部分46切换以从下述两种状态中选择一种 状态即，从正常操作中检测剩余氧气浓度的状态以及电流-电压转换器的 两个端子之间的电位差被调零(按照与对电路切信号SG2做出响应而执行 操作的相同方式)的状态(电流二0nA的状态)。此外，如图4所示，设置 Im检测电路部分46以输出代替传感器-单元电流测量值VS1的监控器-单元 电流测量值VM1，同时输出代替传感器-单元端子电压VS2的监控器单元 端子电压VM2。在电流-电压转换器的两个端子之间的电位差被调零的情况下，可以基于监控器单元端子电压VM2来测量监控器单元电动势。
如图2所示，微计算机41施加有从Is检测电路部分45输出的传感器-单元电流测量值VS2以及从Im检测电路部分46输出的监控器-单元电流测 量值VS1，基于上述值，微计算机41计算(Is-Im)值。然后，基于(Is-Im) 值，微计算机41进一步计算废气中的NOx浓度。
接下来，下面将参考图5详细地描述传感器-单元/监控器-单元保护电 路部分48的结构。传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48检测出现在 传感器单元35和监控器单元34的正电势侧和负电势侧处该传感器单元35 和监控器单元34的电路部分(连接到正电势公共端子COM+和负端子SS-和MS-的电路区域)的电力不足或故障以及接地短路或故障。利用本实施 例，传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48对应于"电压施加中断装置"。 在图5中，传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48施加有从传感器 -单元/监控器-单元驱动器电路部分44输出的公共端子电压Vcom，从Is检 测电路部分45输出的传感器-单元端子电压VS2以及从Im检测电路部分 46输出的监控器-单元端子电压VM2。此外，保护电路部分48施加有从微 计算机41传输的故障确定信号SG4。尽管下面将详细地描述故障确定信号 SG4，但是简而言之，故障确定信号SG4采取二进制信号形式，SG4 高" 用于正常操作并且SG4-"低"用于发生故障时，进一步，对施加到传感器 -单元/监控器-单元驱动器电路部分44的各个输入信号做出响应，传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48生成电压施加停止信号SG1。下面将描 述该细节。
传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48包括5个比较电路81-85， 其按照下述方式操作。
第一比较电路81对公共端子电压Vcom (在正常操作期间是4.4V)与 基准电压Vrefl (例如，4.6V)进行比较。在这种情况下，在正常操作期间， VconKVrefl并且该第一比较电路81提供"低"输出。相反，在发生故障 期间，Vcom〉Vrefl并且该第一比较电路81提供另一 "高"输出。例如， 如果在连接到公共端子COM+的区域出现电力不足，则该第一比较电路81 生成"高"输出。
第二比较电路82对传感器-单元端子电压VS2 (在正常操作期间是4.0V)与基准电压Vref2 (例如，3.8V)进行比较。在这种情况下，在正常 操作期间， 一种情况代表VS2>Vref2并且该第二比较电路82提供"低"输 出。相反，在发生故障期间，另一情况代表VS2<Vref2并且该第二比较电 路82提供另一 "高"输出。例如，如果在连接到负端子SS-的区域出现接 地短路，则第二比较电路82生成"高"输出。
第三比较电路83对监控器-单元端子电压VM2 (在正常操作期间是 4.0V)与基准电压Vref3 (例如，3.8V)进行比较。在这种情况下，在正常 操作期间， 一种情况代表VM2>Vref3并且该第三比较电路83提供"低" 输出。相反，在发生故障期间，另一情况代表VM2〈Vref3并且该第三比较 电路82提供另一 "高"输出。例如，如果在连接到负端子MS-的区域出现 接地短路，则第三比较电路83生成"高"输出。
第四比较电路84对公共端子电压Vcom与传感器-单元端子电压VS2 进行比较。在这种情况下，在正常操作期间，Vc0m>VS2并且该第四比较 电路84提供"低"输出。相反地，在发生故障期间，Vcom〈VS2并且该第 四比较电路84提供另一 "高"输出。例如，如果在连接到公共端子COM+ 的区域出现接地短路或在负端子SS-处出现电力不足，则该第四比较电路 84生成"高"输出。
第五比较电路85对公共端子电压Vcom与监控器单元端子电压VM2 进行比较。在这种情况下，在正常操作期间，Vcom〉VM2并且该第五比较 电路85提供"低"输出。相反，在发生故障期间，Vcom<VM2并且该第五 比较电路85提供另一 "高"输出。例如，如果在连接到公共端子COM+的 区域出现接地短路或在负端子MS-处出现电力不足，则该第五比较电路85 生成"高"输出。
尽管在附图中未示出，但是由两个电阻器构成的电阻分压电路将恒定 电压Vcc分压为基准电压Vrefl到Vref3的每一个。
将玉个比较电路81-85的输出以及从微计算机41输出的故障确定信号 SG4输入到OR电路86。在这种情况下，如果施加到OR电路86的多个输 入信号中的任一个处于高电平，则该OR电路86生成"高"信号作为电压 施加停止信号SG1。如果SGb"高"，则如上所述断开传感器-单元/监控器 -单元驱动器电路44的切换电路53，从而中断电压到公共端子COM+的施加(参见图3)。 g卩，很可能传感器单元35和监控器单元34出现诸如电力 不足或接地短路的故障，或者可替换地，微计算机41输出故障确定信号 SG4。在这种情况下，中断到传感器单元35和监控器单元34的电压施加， 从而实现保护这些单元的效果。更具体地，这阻止了过大的电流流经传感 器单元35和监控器单元34，从而能够抑制对感测元件的损害。
现在描述由微计算机41执行的计算传感器输出补偿值的第一操作以及 检测故障的第二操作。关于传感器输出补偿值的计算操作是在检测NOx浓 度期间进行的操作，在基于这种状态下的电路输出来执行计算输出补偿值 (特别是本实施例的偏移校正值)的操作期间，执行操作以将Is检测电路 部分45和Im检测电路部分46中的电流-电压转换器的两个端子之间的电 位差临时调零。进一步，基于在上述临时调零电流-电压转换器的端子电位 差时所得到的传感器单元35或监控器单元36的电动势，故障检测操作用 于检测诸如断开或元件破裂以及元件活动性不足等的故障的存在或不存 在。
首先，下面将参考图6所示的流程图详细描述用于计算传感器输出补 偿值的操作例程。而且，微计算机41以给定的时间周期重复执行图6所示 的操作例程。这里描述了用于计算Is检测电路部分45的输出值(VS1)的 偏移校正值的序列。
在图6中，在步骤Sll，对是否需要在当前时序执行操作以计算偏移校 正值做出询问。利用本实施例，将用于要获得的偏移校正值的计算时间段 设置为IO秒钟并且每次时间流逝IO秒钟，对步骤Sll的回答是"是"。可 以优选地根据例如电路温度变化的速度来确定用于偏移校正值的计算周 期。如果用于偏移校正值的计算时序存在，则操作进行到步骤S12，其中对 传感器单元35的温度是否上升到给定激活温度(例如，750°C)做出询问。 更具体地，基于从引擎启动开始流逝的时间、施加到加热器的电功率幅值 或与该传感器单元35相关的阻抗检测值来确定传感器单元35的温度上升 状态。
如果传感器单元35的温度上升到给定激活温度，则操作进行到步骤 S13，其中执行操作以将电路切换信号SG2的电平从高电平切换到低电平。 这允许Is检测电路部分45对连接到差分放大器电路62的反馈输入电通路
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电流-电压转换器61的电流被有意地设置为OnA。在后续的步骤S14，在将 电路切换信号SG2从"高"切换到"低"电平之后，执行待机操作直到实 现输出稳定为止。
在待机操作已进行给定时间间隔之后，在步骤S15，执行操作以从差分 放大器电路66读出输出VS1并且基于该VS1值来计算偏移校正值Foff。 在本实施例中，VS1值在给定的时间被转换成电流以提供偏移校正值Foff。 将偏移校正值Foff存储在备份设备(例如以EEPROM或备份RAM为例) 中。换言之，在备份设备中将偏移校正值Foff存储为学习值并适当地更新。
之后，在步骤S16，将电路切换信号SG2从"低"状态切换到"高" 状态。这允许将反馈输入电通路L1连接到差分放大器电路62，并伴随有将 Is检测电路部分45返回到正常NOx浓度检测状态的结果。在后续步骤S17， 在将电路切换信号SG2从"低"状态切换到"高"状态之后，执行待机操 作以使Is检测电路部分45的输出稳定。然后，在待机操作已进行给定时间 间隔之后，重新开始正常的NOx浓度检测操作(在步骤S18)。
将按照上述方式计算的偏移校正值Foff适当地用于校正传感器单元电 流Is (在VS1的电流转换值中)，在操作期该电流被顺序测量以检测NOx 浓度。即，从在NOx浓度操作期间测量所得的传感器单元电流Is减去偏移 校正值Foff，从而计算校正后的传感器单元电流(校正后的传感器单元电 流4s-Foff)。然后，基于校正后的传感器单元电流来计算NOx浓度。
实际上，执行操作以计算偏移校正值，其不仅用于Is检测电路部分45 而且用于Im检测电路部分46，并且通过使用这两个检测电路部分45和46 的偏移校正值来计算NOx浓度。在这种情况下，从传感器单元电流Is (测 量值)减去用于传感器单元的偏移校正值以计算校正后的传感器单元电流， 并且从监控器单元电流Im (测量值)减去用于监控单元的偏移校正值以计 算校正后的传感器单元电流。然后基于校正后的传感器单元电流和校正后 的监控器单元电流之差(=校正后的传感器单元电流-校正后的监控器单元 电流)来计算NOx浓度。
如图7A所示，在NOx传感器电路40中的传感器单元电流Is和监控器 单元电流Im分别出现偏移误差。在图7A中，术语"传感器输出"是指实
34际出现在传感器元件IO上的电流值并且术语"电路检测值"是指利用NOx 传感器电路(包括Is检测电路部分45和Im检测电路部分46)所测量的实 际传感器输出的测量值。
在图7A中，电路检测值和传感器输出随NOx浓度的增加而线性地增 大。在电路检测值和传感器输出之间有偏移误差。
在图7B中，电路检测值处在第一监控器单元电流Im并且传感器输出 处在第二监控器控单元电流Im，并且偏移误差处在这两个电流值之间。
在图7C中，电路检测值和传感器输出随偏移误差的增加而线性地增 大。在电路检测值和传感器输出之间有偏移误差。
在这种情况下，执行操作以获取与传感器输出相关的偏移误差作为偏 移校正值，其随后被用于分别校正传感器单元电流Is和监控器单元电流Im。 这能够抑制关于电路检测值的偏移误差导致的NOx浓度计算的精度下降。
图8是表示对传感器单元电动势做出响应而执行故障检测操作的操作 例程的流程图。优选地，通过微计算机41以给定时间周期重复执行本操作 例程。
在图8中，在步骤S21，对是否存在故障检测时序做出询问。在本实施 例中，故障检测周期被设置为0.5秒钟，并且每次流逝0.5秒钟，步骤S21 的回答为是。如果故障检测时序存在，则操作进行到步骤S22，其中以与步 骤S12所执行的相同方式对是否将传感器单元35的温度提升到给定激活温 度(例如，750°C)做出询问。进一步，在步骤S23，对在引擎启动之后氧 气是否被从传感器元件10的腔室14和16充分地排放并且剩余的氧气浓度 是否处在给定的低氧气浓度做出询问。基于例如从引擎启动而流逝的时间 来确定剩余氧气的排放状态。
如果步骤S22和S23的回答为是，则操作进行到步骤S24，其中将输 出到Is检测电路部分45的电路切换信号SG2从"高"切换到"低"电平。 这使反馈输入电通路Ll和L2被切换(在本实施例中，按照LI—L2的顺 序)用于差分放大器电路62。这允许流经电流-电压转换器61的电流被有 意地设置为0mA。在后续步骤S25中，在将电路切换信号SG2从"高"切 换到"低"电平之后，执行待机操作直到输出稳定为止。
在待机操作己执行给定时间间隔之后，在步骤S26，执行操作以读取公共端子电压Vcom和传感器-单元端子电压VS2，基于这些电压，检测传感 器单元35的电动势。更具体地，从公共端子电压Vcom (即，在传感器单 元的正端子上所测量的电动势)减去传感器-单元端子电压VS2 (即，在传 感器单元的负端子上所测量的电动势)的步骤允许计算传感器单元35的电 动势值35。此外，此时，将传感器单元35的电动势值存储在备份设备(例 如以EEPROM或备份RAM为例)中。
随后，在步骤S27，对在步骤S26中所检测到的电动势是否处在预定的 正常范围内做出询问。更具体地是，感测元件10的腔室基本上保持在稀薄 贫乏状态并且传感器单元35的电动势是大约0.2V的电压值。因此，将正 常范围设置为在0.2V士0.1V的范围(从0.1V至0.3V的范围)。然而，考虑 到在正常操作期间传感器单元施加电压为0.4V(=4.4-4.0V)，正常范围可以 处在从0.1V至0.4V的范围。
如果电动势处在正常范围内，则操作进行到步骤S28，其中如果诸如断 开或元件破裂等的故障未出现，则做出正常的判定。进一步，如果电动势 在正常范围之外，则操作进行到步骤S29，其中对电动势中的故障连续出现 给定次数进行询问。如果电动势中的故障连续出现给定次数，则操作进行 到步骤S30，其中在存在诸如断开或元件破裂等的故障时作出故障判定。
如果做出诸如断开或元件破裂等的故障出现的判定，则在步骤S31执 行操作以允许将具有"高"电平的故障检测信号输出到传感器-单元/监控器 -单元保护电路部分48。
随后，在步骤S32，执行操作以将电路切换信号SG2从"低"切换到 "高"电平。这允许用于差分放大器电路62的反馈输入电通路返回到"L1"， 并伴随有将Is检测电路部分45返回到正常NOx浓度检测状态的结果。在 后续步骤S33，在将电路切换信号SG2按顺序从"低"切换到"高"电平 之后，执行待机操作以使输出稳定。在待机操作已执行给定时间间隔之后， 重新开始正常的NOx浓度检测操作(步骤S34)。
尽管在附图中未示出，但按照与图8所示的类似序列并且按照与上述 相同的方式，基于监控器-单元电动势来设置监控器单元34以执行故障检测 操作。为了简洁起见，使lm检测电路部分46进入到电流-电压转换器的两 个端子之间的电位差被调零的状态，在该状态下，通过使用监控器-单元端
36子电压VM2来检测监控器单元电压。然后，对监控器单元电动势是否处在 正常范围内(从O.l至0.3V的范围或从0.1至0.4V的范围)做出询问，基 于该询问结果进行故障判定。这允许监控器单元34检测诸如断开或元件破 裂等的故障。
在利用这种结构的本实施例中，气体传感器控制设备具有下面列出的 各个优点。
设计Is检测电路部分45 (或Im检测电路部分46)的结构以使其具有 设置在电通路中的幵关电路71，没有单元电流(传感器单元电流或监控器 单元电流)流经该电通路。即使开关电路71保持闭合，基于差分放大器电 路66的输出VS1 (或VM1), Is检测电路部分45计算偏移校正值Foff。利 用这种结构，如果在NOx传感器电路40上出现偏移误差，则可以适当地 获得相等于该偏移误差的偏移校正值Foff。
特别地，进一步，将开关电路71设置在电通路(反馈输入电通路L2) 中，没有元件电流流经该电通路(换言之，开关电路71没有设置在其中留 有元件电流的电通路中)。这避免了由于开关电路71中所导致的漏电流而 在元件电流测量值中出现误差，更特别地，由于在诸如电阻器等的半导体 开关中所导致的漏电流。即，即使在开关电路71中出现漏电流，没有出现 对元件电流测量值不利的影响(即使不利的影响发生，其完全可忽略)。当 测量类似本实施例的结构中的弱的NOx检测电流时，由于开关电路的存在 而造成电流测量值中误差的存在会导致对NOx浓度检测增大的不利影响， 但可以避免这种不便。
利用这种正确地计算偏移校正值Foff并且消除由流经开关电路的漏电 流导致的不利影响的能力，可以以更大精度检测NOx浓度。进一步，即使 由于温度特性和随时间的劣化而在NOx传感器电路40中出现输出误差， 仍可以适当地解决输出特性，以能够正确地检测NOx浓度。
利用本实施例，设计该结构，以使得闭合开关电路71以使电流-电压转 换器16的两个端子之间的电位差调零的步骤允许即使在电位差保持为调零 状态时仍能够基于差分放大器电路66的输出VS1 (或VM1)来计算偏移校 正值Foff。这能够基于在NOx-0ppm的测量状态下的输出VS1 (或VM1) 来正确地检测偏移校正值Foff。
37在开关电路71保持闭合时，测量出现在传感器单元35的正和负端子 上的端子电压(即，公共端子电压Vcom和传感器-单元端子电压VS2)。然 后，通过使用所检测到的端子电压之间的差值来检测该传感器单元35的电 动势(以与监控器单元34相同的操作)。这能够精确地检测电动势。然而， 应该理解，可以仅使用传感器-单元端子电压VS2来检测电动势。
Is检测电路部分45 (或Im检测电路部分46)具有开关电路67和71 分别设置在两个反馈输入电通路L1和L2的结构。这允许根据检测正常NOx 浓度的需要或计算偏移校正值的需要而断开或闭合开关电路67和71，从而 执行操作以适当地对处在导通状态的反馈输入电通路进行转换。利用这种 结构，适当地将反馈输入电通路切换到差分放大器电路62的步骤能够使 NOx浓度检测被临时中断以执行关于偏移校正值的计算。
进一步，将电流-电压转换器61连接到差分放大器电路62的负反馈部 分的外侧，从而可能控制该差分放大器电路62的输出(该电流-电压转换器 61的与传感器相对的端子处的电压)。这能够以变化的程度调节电流-电压 转换器61的两个端子上的电位差。因此，可以使电流-电压转换器61的两 个端子上的电位差调零。
利用Is检测电路部分45，将电流-电压转换器61的传感器侧端子经由 偏置电流电阻器75而接地(位于基准电压部分)。因此，即使没有传感器 电动势存在，电流-电压转换器61也可以由于偏置电流电阻器75的存在而 使传感器侧端子电压保持在给定电压。因此，即使没有电动势存在，在操 作中仍可以使电路输出稳定，以能够检测到传感器电动势作为故障值。
利用本实施例，将公共驱动器电路44连接到传感器单元35和监控器 单元34的正电位电极并且将传感器单元35和监控器单元34的负电位电极 分别连接到Is检测电路部分45和Im检测电路部分46，开关电路71也连 接到Is检测电路部分45和Im检测电路部分46。这允许基于从各个检测电 路部分45和46获取的电流测量值VS1和VM1来计算Is检测电路部分45 和Im检测电路部分46各自的偏移校正值。这使得能够针对每个单元来计 算各个检测电路部分45和46的特性变化(电路误差)。因此，与将开关电 路设置在用于代表各个单元34和35的公共驱动电路的传感器-单元/监控器 单元驱动器电路44中时的实现方式相比，能够进一步增加要计算的偏移校
38正值的精度。
为了计算传感器输出校正值(参见图6)，设计结构以使得在传感器单 元35 (或监控器单元34)保持在温度中活动性的状态下来计算偏移校正值 Foff。这能够使电路输出保持在稳定状态的同时以更大的精度获得偏移校正 值Foff 。
为了计算传感器输出校正值(参见图6)，类似地，可以设计以提供待 机时间间隔来等待在开关电路67和71的断开和闭合操作的转换期间的输 出稳定。这能够获得传感器-单元电流测量值VSl且电路输出保持稳定。因 此，能以更大的精度获得NOx浓度值和偏移校正值Foff。此外，代替等待 给定的时间，可以进行待机操作直到VS1时间上的变化量(变化率)达到 给定值或更少为止。
进而，Is检测电路部分45采取如下形式设置结构以在开关电路71 闭合时检测传感器单元35的电动势(与Im检测电路部分46检测电动势的 方式相同)，基于该电动势来进行故障确定。这能够在故障以元件破裂、活 动性缺陷和断开等形式发生时正确地检测出现的故障。
传感器-单元/监控器-单元保护电路部分48采取如下结构形式其中基 于公共端子电压Vcom，用于表示传感器单元35和监控器单元3的各个端 子电压的传感器-单元端子电压VS2和监控器单元端子电压VM2来执行故 障检测(即，基于实际中的各个端子电压来设计该结构以输出故障检测信 号SG4)。这样能够不仅检测诸如元件破裂、活动性缺陷和断开等的故障而 且能够检测在传感器单元35和监控器单元34的电极处出现的诸如电力不 足和接地短路之类的故障。
利用本实施例的控制设备，设计结构为如果做出诸如断开等的各种 故障出现的确定，则输出"高"信号作为故障确定信号SG4以允许传感器-单元/监控器-单元驱动器电路部分44中断要施加到传感器单元35和监控器 单元34的电压提供。这导致能够抑制由于在故障出现期间向各个单元连续 施加电压导致的对感测元件的不利影响，同时能够保护感测元件。
在利用NOx传感器电路40时需要假定，原因在于首先弱电流流动， 如果出现各种故障(例如，电力不足和接地短路，特别地是在端子处)，则 会使过大的电流流经该感测元件。这导致损害感测元件和输出特性变化的
39风险的不利影响。在这方面，如上所述，在故障出现期间中断到各个单元 的电压施加，能够保护该感测元件。
设计故障检测例程(参见图8)以检测在传感器单元35 (或监控器单 元34)具有对温度的活动性的状态并且在启动引擎之后感测元件10的腔室 14和16内的氧气被充分排放的状态下的传感器电动势。这能够正确地检测 传感器电动势，并伴随有检测故障操作的精度增加。
利用该故障检测例程(参照图8)，类似地，提供待机时间间隔以等待 在开关电路67和71断开和闭合操作转换期间的输出稳定。这能够在稳定 状态下检测传感器电动势，从而增加检测故障的精度。此外，代替等待给 定时间，可以进行待机操作直到VS1的时间变化量(变化率)达到给定值 或更少为止。
(第二实施例)
下面将描述形成根据本发明第二实施例的气体传感器控制设备的Is检 测电路部分的电路结构，且主要集中在不同于第一实施例的部分。
利用本实施例的气体传感器控制设备，假定Is检测电路部分45A (或 Im检测电路部分46A)具有一种状态(为了方便起见，将其称为"第一状 态")以及另一种状态(为了方便起见，将其称为"第二状态")，其中在第 一状态中电流-电压转换器的两个端子之间的电位差被调零，并且在第二状 态中电流-电压转换器的两个端子之间的电位差具有不同于调零电平的值。 在这种第一和第二状态下本实施例的气体传感器控制设备获取Is检测电路 部分45A (或Im检测电路部分46A)的输出以基于从第一和第二状态所得 到的这些输出来计算增益校正值，作为电流校正值。
利用本实施例的气体传感器控制设备，Is检测电路部分45A具有如图 9A所示的电路结构。图9A所示的电路结构包括图4所示的电路结构，其 中一部分已修改。因此，类似或相应的组成部分具有相同的附图标记。本 实施例的Is检测电路部分45A与图4所示的Is检测电路部分45的不同之 处在于下面描述的特征。即，图9A所示的Is检测电路部分45A包括电压 输出电路92，其用作"电压生成部分"且连接到差分放大器电路62的"-" 输入端子。这允许在计算电流校正值期间将从电压输出电路92输出的电压 输入到差分放大器电路62，从而将电流-电压转换器61的两个端子之间的电位差设置为给定值(#0)。
利用图9A中所示的Is检测电路部分45A，差分放大器电路62的正端 子经由电容器CO接地。这抑制了由于在断开开关71期间出现的峰值或突 波电压导致的气体感测元件10的电压变化。
图9B是表示当以变化频率施加交流电压时对气体感测元件10的传感 器单元35的阻抗的频率依赖结果，其中，横轴表示阻抗(n)的实部Z'， 纵轴表示阻抗(Q)的虚部Z"。
在图9B中，当对传感器单元35施加具有高频率的交流电压时Rl表 示该传感器单元35的实部的阻抗，在该高频率下出现02寸广散且出现电子 转移；C1表示覆盖传感器单元35的阻抗R2的曲线，其中，0-2的晶界扩 散出现；C2表示覆盖传感器单元35的实部的阻抗R3的曲线，其中出现吸 收和分离且出现02—的表面扩散；并且C3表示覆盖传感器单元35的实部的 阻抗Z'的曲线，其中出现气体扩散且对气体感测元件施加低频交流电压。 在图9B中，Fl还表示频率范围，在该频率范围中主要出现包括固态电解 质体11和电极对37和38的传感器单元35的电极反应以及氧化锆的频率 特性，并且F2表示气体扩散发生的频率范围。
图9C是表示气体感测元件110的操作状态的波形图。在图9C中，Wl 表示利用所施加的电压测量传感器单元35的输出电流的测量状态或将电流 施加到传感器单元以允许端子电压处在给定值的状态。Wla指示将电压施 加到传感器单元35的时间并且Wlb指示不向传感器单元35施加电压以在 该传感器单元35的电极之间出现电动势。W2指示在传感器单元35 (参见 图1)的电极对37和38支架施加的0.4V的电压并且W2a指示电动势出现 在传感器单元35中，并且W3表示指示流经传感器单元35的单元电流(元 件电流)的波形，并且W4表示时间(ms)。
在Wlb期间，利用上述电路的操作对流经传感器单元35的电极对的 电流进行调零(对于要测量的电动势而言)。波形W2和W3指示在利用电 路使流经传感器单元35的电流调零时端子电压的变化和元件电流(单元电 流)的变化。在使流经传感器单元35的电流调零时，传感器单元35上的 端子电压由于出现电动势而导致该传感器单元上的电压变化。
更特别地，将反馈输入电通路L1连接到差分放大器电路62的"-"输
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说明书第35/53页
入端子，电压输出电路92经由开关电路91也连接到该差分放大器电路62 的"-"输入端子。电压输出电路92包括电阻分压器电路，其包括两个电阻 器，借助该电阻器，对固定电压Vcc进行分压以提供所得到的电压VX2。 开关电路93还连接到反馈输入电路Ll 。
设计被额外地设置在图9A所示的电路中的开关电路91和93以对在电 路切换信号SG2是"低"信号(即，当断开反馈输入电通路L1的开关电路 67并且闭合反馈输入电通路L2的开关电路71时)的情况下从微计算机41 输入的具有"高"和"低"二进制值的电路切换信号SG5做出响应而被打 开或被关闭(闭合或断开)。将电路切换信号SG5原封不动地输入到一个开 关电路93并且经反相电路94输入到另一个开关电路91 。
利用本实施例的气体传感器控制设备，如果SG5 'H"，则闭合开关电 路93并且断开开关91。相反，如果SG5-"L"，则断开开关电路93并且 闭合开关91。总之，以相反的断开和闭合时间周期来断开或闭合开关91和 93。
这里，在基于假设SG2= "L"(开关电路67被断开并且开关电路71被 闭合)的情况在SGS- "H"和SG5二 "L"的情况下来描述所执行的操作。 应该理解，SG5= "H"对应于"第一状态"并且SG5= "L"对应于"第二 状态"。
如果SG5= "H"，则差分放大器电路62的"-"输入端子和电压输出电 路92彼此断开。在这种情况下，电路以与参考图4中SG2= "L"的操作描 述的相同的方式出现。即，差分放大器电路62调节电流-电压转换器61的 与传感器相对的端子(结点B2)处电压。这使电流-电压转换器61的两个 端子之间的电位差被调零，从而没有电流流经该电流-电压转换器61 (表示 为电流inA)。因此，该差分放大器电路66提供，该输出VSl在具有NOx 浓度^[ppm](等于偏移值)的检测状态下保持在等于电路输出误差的值处。
进一步，如果SG5-"L"，则差分放大器电路62的"-"输入端子和电 压输出电路92彼此连接。在这种情况下，该差分放大器电路62调节更靠 近传感器的电流-电压转换器61的端子(结点B1)处的电压。这使对于电 流-电压转换器61的传感器侧端子(结点Bl)而言在电流-电压转换器61 的与传感器相对的端子(结点B2)处的电压处于导致给定电压电位(=相应于VX2的电压)的电平。当这发生时，电流-电压转换器61的两个端子 之间的电位差表示根据电压VX2的假定值。这种状态与检测初始确定的 NOx浓度(a[ppm])的状态相对应。因此，差分放大器电路66的即时输出 VS1保持在与在NOx浓度^[ppm]的检测状态下的电路输出误差相等的值。
在等价于NOx浓度-O[ppm]状态的第一状态下获得输出VS1，也在等 价于NOx浓度-a[ppm]状态的第二状态下获得输出VS1。可以通过使用这 些输出获得增益误差。
接下来，下面将描述微计算机41的操作以解释如何计算传感器输出校 正值。
图10是表示根据本实施例的用于计算传感器输出校正值的操作的例程 的流程图。利用本例程。将增益校正值计算为传感器输出校正值。而且利 用微计算机41以给定的时间周期重复地执行图10所示的例程。这里，描 述如何计算用于Is检测电路部分的输出值(VS1)的增益校正值。
在图10中的步骤S41，对当前时间是否属于增益校正值的计算时序进 行询问。利用本实施例，将校正值计算周期设置为IO秒钟并且每次流逝IO 秒钟，使步骤S41为正确。如果当前时间属于用于增益校正值的计算时序， 则操作进行到步骤S42，其中对传感器单元35的温度是否被提升到给定激 活温度(例如，750°C)进行询问。更具体地，基于从引擎启动开始所流逝 的时间或传感器单元35的阻抗检测值来确定该传感器单元35的温度上升 状态。
如果传感器单元35的温度被提升到给定激活温度，则操作进行到步骤 S43，其中将输出到Is检测电路部分45的电路转换电路SG2从"H"切换 到"L"。这允许Is检测电路部分45切换用于差分放大器电路62的反馈输 入电通路Ll和L2的导通状态，并伴随有流经电流-电压转换器61的电流 被有意地设置成OnA的结果。当这发生时，输入电压转换信号SG5在上述 的"第一状态"下保持为原封不动的"高"信号。在后续步骤S44，在导通 状态下将电路转换信号SG2从"高"切换到"低"之后，执行待机操作以 等待输出稳定。在待机操作中给定的时间间隔流逝之后，在步骤S45中执 行操作以读取差分放大器电路66的输出VS1。在步骤S45读取的输出VS1 等于偏移误差并且其可以足以用于基于VS1 (类似在图6中的步骤S15中
43实现的效果)而计算的偏移校正值Foff。
随后，在步骤S46，输入电压转换信号SG5被从"H"切换到"L"。 这允许Is检测电路部分45处在"第二状态"下，在该"第二状态"下，差 分放大器电路62的"-"输入端子和电压输出电路92彼此连接。在后续的 步骤S47，在电路转换电路SG2在导通状态下被从"高"—"低"进行切 换之后，执行待机操作以等待输出稳定。在在待机操作下给定的时间间隔 流逝之后，在步骤S48执行操作以再次读出差分放大器电路66的输出VS1。
之后，在步骤S49，基于在步骤S45所读出的输出VS1 (即，在第一状 态下所读出的VS1值)和在步骤S48所读出的输出VS1 (即，在第二状态 下所读出的VS1值)而计算增益校正值Fgain以存储在备份设备中(例如 以EPROM和备份RAM为例)。换言之，将增益校正值Fgain存储在备份 设备中作为要以适当的时序进行更新的学习值。
这里，两个传感器输出VS1表示在检测各个NOx浓度的状态下所测量 的电路输出，并且这些二进制值的使用使得能够计算用于NOx浓度的传感 器输出的敏感度(增益)。当这发生时，在第一状态下假定的NOx浓度为 O[ppm]并且在第二状态下假定的NOx浓度为a[ppm]。假定在第一状态下传 感器输出VS1是Isl并且在第二状态下传感器输出VS1的电流转换值是Is2， 则按照下式计算增益校正值Fgain:
Fgain= (Is2-Isl) /(a-0) =(Is2-Isl) /a
随后，在步骤S50和S51，将输入电压转换信号SG2从"L"切换到"H" 并且将输入电压转换信号SG5从"L"切换到"H"。这允许将到差分放大 器电路62的反馈输入电通路切换到Ll，在这种情况下，差分放大器电路 62的"-"输入端子和电压输出电路92彼此断开，并伴随有Is检测电路部 分45被返回到正常NOx浓度检测状态的结果。
在后续步骤S52，在将电路切换信号SG2从"L"切换到"H"并且将 电路切换换换SG5从"L"切换到"H"之后，执行待机操作直到获得输出 稳定为止。在待机操作下给定的时间间隔流逝之后，重新开始正常的NOx 浓度检测操作(在步骤S51)。
以上述方式计算的增益校正值Fgain适用于校正按顺序测量的传感器
44单元电流Is (VS1的电流转换值)。即，从在检测NOx浓度时所测量的传 感器单元电流is中减去增益校正值Fgain的步骤允许计算校正后的传感器 单元电流(以表示为校正后的传感器单元电流^s-Fgain的方式)。然后，基 于该校正后的传感器单元电流来计算NOx浓度。
实际上，不仅Is检测电路部分45而且Im检测电路部分46都执行增益 校正值的计算并且通过使用从Is检测电路部分45和Im检测电路部分46 所传送的两个增益校正值来计算NOx浓度。在这种情况下，从传感器单元 电流Is (测量值)减去传感器单元的增益校正值以计算校正后的传感器单 元电流。类似地，从监控器单元电流Im (测量值)减去监控器单元的增益 校正值以计算校正后的监控器单元电流。然后，基于校正后的传感器单元 电流和校正后的监控器单元电流之差(=校正后的传感器单元电流-校正后 的监控器单元电流)来计算NOx浓度。
如图11所示，利用NOx传感器电路40，在传感器单元电流Is和监控 器单元电流Im之间分别出现增益误差(Is-Im)。在图11中，术语"传感器 输出"是指实际出现在感测元件10中的电流值并且术语"电路检测值"是 指根据实际传感器输出由NOx传感器电路40 (包括Is检测电路部分45和 Im检测电路部分46)所测量的测量值。
在这种情况下，获取传感器输出的增益误差作为增益校正值，通过使 用这种增益校正值来校正传感器单元电流Is和监控器单元电流Im。这抑制 了由电路检测值的增益误差所导致的NOx浓度精度的下降。
第二实施例的NOx传感器电路具有下列各个优点。
在电路设置中设计NOx的结构以在等于NOx浓度=0的第一状态下和 在等于NOx浓度^a的第二状态下获取输出VX1，以基于各个输出计算增 益校正值Fgain。这使得能够适当地获得等于在NOx传感器电路40中所导 致的增益误差的增益校正值Fgain。此外与第一实施例类似，没有开关电路 设置在其中流有元件电流(传感器单元电流和监控器单元电流)的电通路 中。因此，可以避免由于开关电路所导致的漏电流而在元件电流测量值中 出现误差的不便。
可以以上述方式计算增益校正值Fgain以消除开关电路所导致的漏电 流引起的不利影响。这导致能够增加检测NOx浓度的精度。进一步，即使由于温度特性和临时变化而在NOx传感器电路40中发生输出误差并且在 该输出误差中发生变化，可以适当地调整该输出特性，而正确地进行NOx 浓度测量。
对于导致在电流-电压转换器61的两个端子之间产生给定电位差的结 构，将电压输出电路92连接到差分放大器电路62的"-"输入端子。这使 得在电流-电压转换器61的两个端子之间出现与该电压输出电路92的输出 电压一致的电位差，这使地能够将两个端子之间的电位差设置为任意等级。
进一步，在检测NOx浓度时，仅当在大气条件下NOx浓度-oppm时， 才可能存在基准浓度。在这种情况下，尽管在NOx浓度-叩pm情况下仅利 用电流测量值计算增益校正值很困难，但是将第一状态转换到第二状态的 步骤使得NOx传感器能够获得增益校正值。 (其它修改)
本发明并不局限于上述各个实施例的结构并且可以在下述的修改中实现。
利用上述各个实施例，Is检测电路部分45采取包括"施加电压设置电 路"的结构，该"施加电压设置电路"包括差分放大器电路62。可替代地， 施加电压设置电路可以包括同相放大器电路。下面将描述图12所示的电路 结构，并且集中在不同于图4的地方。类似的相应部分具有相同的附图标 记。利用图12所示的电路结构，同相电路还被用作施加电压设置电路，且 在与电压输入相关的结构中可以进行修改。
禾拥图12所示的电路结构，同相放大器电路101被提供为施加电压设 置电路。该同相放大器电路101具有连接到电流-电压转换器61的传感器侧 端子(结点B1)的"-"输入端子，并且结点B1的电压被保持为该同相放 大器电路101的"+"输入端子处的电压。电阻分压器电路63的分压节点 经由开关电路102连接到同相放大器电路101的"+"输入端子，电压跟随 器65的输出端子经由开关电路71连接到同相放大电路101的"+"输入端 子。
在设置中设计开关电路102和71的结构以对从微计算机41输入的电 路转换信号SG2做出响应而被接通或关断(闭合或断开)。将电路转换信号 SG2原封不动地施加到开关电路71的一个端子并且经反相电路103施加到另一开关电路71。
利用当前修改形式，如果SG2-"H"，则开关电路102闭合并且开关电 路71断开以使得电阻分压器电路63的分压VX3被输入到同相放大器电路 101的"+"输入端子。进一步，如果SG2= "L"，则开关电路102断开并 且开关电路71闭合以使得电压跟随器65的输出被输入到同相放大器电路 101的"+"输入端子。总之，利用模式相反的断开和闭合时间周期来断开 和闭合开关电路102和71，导致同相放大器电路101的输入电压被改变的 结构。
利用这种电路结构，当在正常时刻检测NOx浓度时，电路切换信号SG2 是"高"信号并且电压VX3被施加到负端子SS-。这允许根据废气中的Nox 浓度来测量传感器单元电流Is。相反，当计算偏移校正值时，电路切换信 号SG2是"低"信号并且电压跟随器65的输出VS2经由反馈输入电通路 L2而被施加到同相放大器电路101的"+"输入端子。由此，在没有电流 流经电流-电压转换器61 (电流inA)的状态下可以调零该电流-电压转换 器61的两个端子之间的电位差。因此，对即时出现的传感器输出VS1做出 响应，可以计算偏移校正值。此外，对传感器-单元端子电压VS2做出响应， 可以检测传感器电动势。
利用第一实施例，设计电路结构以允许传感器-单元/监控器-单元驱动 器电路部分44中断施加电压，用于当诸如断开等各种故障出现时保护该传 感器。可以以其它结构改变这种电路结构。更特别地，传感器-单元/监控器 -单元驱动器电路部分44允许保护电阻器54具有大的电阻值(以大约几百 千欧姆至1兆欧姆的数量级)从而使其电流受限于预定的上限电流(例如 以老化电流为例)。可替代地，运算放大器52的电流输出是有限的。利用 这种结构，流经该传感器单元35的最大电流受到限制以在即使在该传感器 单元35的负端子上出现诸如电力不足和接地短路等故障时仍能保护感测元 件。在这种情况下，可以优选地采取单元施加电压被限制在老化电压之下 以调节传感器特性的结构。
利用上述各个实施例，设计结构以在电通路中包含电压跟随器65，其 中，电流-电压转换器61的传感器侧端子和差分放大器电路62通过该电通 路而彼此连接以提供不使元件电流流经Is检测电路部分的反馈输入电通路Ll的结构。可替代地，可以用同相放大器电路代替电压跟随器65。 gp，在 这种情况下，其代表了在同相放大器电路和差分放大电路62之间的电通路 (反馈电通路L2)中设置开关电路71的情况。
利用上述各个实施例，如参考图2所描述的，传感器-单元电流测量值 VS1和监控器-单元电流测量值VM1被输入到微计算机41以允许该微计算 机41计算(Is-Im)值。可以以下述结构修改这种结构。即，提供例如包括 差分放大器电路的(Is-Im)计算电路部分以允许该(Is-Im)计算电路部分 施加有从Is检测电路部分45输出的传感器-单元电流测量值VS1以及从Im 检测电路部分46输出的监控器-单元电流测量值VM1。这允许计算电路部 分计算(Is-Im)值，该值随后被输出到微计算机41。
利用上述第二实施例，设置电路结构以使得在计算增益校正值Fgain 时，在等价于NOx浓度-O[ppm]状态的第一状态下获得输出VS1并且在等 价于NOx浓度-a[ppm]状态的第二状态下获得输出VS1，对在这两种状态 下的各个输出VSl做出响应而计算增益校正值Fgain。可替代地，可以修改 这种电路结构，因此除了这两种状态外，可在等价于NOx浓度-p[ppm]的 状态(p邦,a)下获取输出VS1以对在这三种状态下的各个输出VS1做出响 应而计算增益校正值Fgain。
此外，可以设置另一替代结构，以使得在两种状态下，即等价于NOx 浓度-a[ppm]和NOx浓度-(3[ppm]的状态下，分别获取输出VS1，以允许对 这两种状态下的各个输出VS1做出响应而计算增益校正值Fgain。
利用上述各个实施例，将感测元件设置为包括泵单元、传感器单元和 监控器单元的所谓的三单元结构中。可以修改这种结构。例如，该感测元 件可以釆取包括所谓的两单元结构的结构，该两单元结构包括泵单元和传 感器单元。此外，当使用监控器单元(第三单元)时，该监控器单元可以 是输出电动势的电动单元。
要被探测的特定成分可以是除NOX外的目标。例如，可以更改气体探 测器以探测诸如废气中的HC (炭化氢)和CO (—氧化炭)等目标。在这 种情况下，设置泵单元以从废气中排放多余的氧气，并且设置感测单元以 在排放多余的氧气之后分解HC和CO，由此来检测HC浓度和CO浓度。
气体传感器控制设备可以被明确作为在除柴油机外的诸如汽油机的其
48它类型发动机中使用的气体传感器的控制器。气体传感器可以采取一种结 构来检测除废气以外的气体，并且可以是用于除汽车之外的应用中的类型。
将参照附图中的图13-16详细描述该修改形式的气体感测元件110。
如图13和14所示，气体感测元件110包括每一个均具有氧离子传导 性的第一和第二固态电解体151和152、限定在第一和第二电解质体151和 152之间用于进入测量气体的测量气体腔室111以及用于在给定的扩散阻力 下将测量气体引入测量气体腔室111的扩散阻力部分120。
另外，气体感测元件110包括传感器单元130，用于检测被允许进入测 量气体腔室111的测量气体中所包含的指定气体的浓度，氧气泵单元125， 用来调整进入在测量气体腔室111中的氧气浓度，氧气检测单元140，用于 测量该测量气体腔室111中的氧气浓度。
传感器单元135包括第一固态电解质体151、以与测量气体腔室111面 对面的方式形成在第一个电解质体151的一个表面上的测量电极134以及 在第一电解质体151的另一表面上形成的与测量电极134成对的基准电极 132。
氧气泵单元125包括第二固态电解质体152、以与测量气体腔室111面 对面的方式形成在第二电解质体152的一个表面上的内部泵电极121以及 在第二电解质体152的另一表面上形成的与内部泵电极121成对的外部泵 电极122。
氧气监控器单元140包括第一固态电解质体151、以与测量气体腔室 111面对面的方式形成在第一个电解质体151的一个表面上的内部监控器电 极131以及在第一电解质体151的另一表面上形成的与内部监控器电极131 成对的外部监控器电极142。
扩散阻力部分120沿着与层叠方向垂直的方向形成在第一电解质体151 和第二电解质体152之间。
如图15所示，将测量电极134放置在测量气体腔室111中，在内部泵 电极121的外部端壁211的向内区域处。此外，将内部监控器电极141放 置在测量气体腔室111中，在内部泵电极121的内部端壁212的向内区域 处。
如图13和14所示，气体感测元件110具有夹在第一和第二固态电解质体151和152中间的间隔体130，以限定测量气体腔室111。
另外，在第一电解质体151的另一表面处经由间隔体131来堆叠防护 板140，以限定第一基准气体分隔室RGC1。
更进一步地，在与测量气体腔室111相对的第二固态电解质体152的 一个表面上堆叠间隔体132，以限定第二基准气体分隔室102。陶瓷加热器 115经由间隔体132而堆叠在第二固态电解质体152上，用于加热氧气泵单 元125、传感器单元135以及氧气监控器单元140。
传感器单元135的基准电极132以及氧气监控器单元140的外部监控 器单元电极142由统一的公共电极构成，该公共电极具有用作基准电极132 和外部监控器单元电极142的功能。此外，基准电极132和外部监控器单 元电极142形成在与测量电极134和内部监控器电极141相对的第一固态 电解质体的另一表面上，以被暴露到第一基准气体分隔室RGC1。
另外，将氧气泵单元125的外部泵电极122放置在与内部泵电极121 相对的第二固态电解质体152 —个表面上，以被暴露到第二基准其它分隔 室102。
测量电极134和内部监控器电极141位于第一固态电解质体的一个表 面上，该区域沿着气体感测元件110的纵向方向Y彼此分隔开给定的距离。 如图15所示，另外，内部泵电极121形成在具有整个周长的区域中以围绕 测量电极134和监控器电极141。
如图14所示，扩散阻力部分120和内部泵电极121沿着堆叠方向Z而 彼此临近放置。扩散阻力部分120沿着与堆叠方向Z和纵向方向Y垂直的 宽度方向X成对地形成在测量气体腔室111的两端。利用本实施例，每一 个扩散阻力部分120由包括陶瓷的渗透体组成，例如氧化铝等。扩散阻力 部分120夹在内部泵电极121和第一固态电解质体151之间，并且与沿着 堆叠方向Z的内部泵电极121部分重叠。
扩散阻力部分120的外侧端壁以及测量电极134之间的最短距离S大 概在l-3mm的范围内。
第一和第二固态电解质体151和152具有主要成分，例如氧化锆和二 氧化铈之类的物质。此外，间隔体130、 131和132是氧化铝的主要成分。
如图16所示，进一步，传感器单元135的测量电极134和基准电极132
50经由IS探测电路部分45和传感器单元电源Vs而连接到NOx传感器电路 40。
另外，测量电极134和基准电极132由包含金属成分和陶瓷成分的金 属陶瓷混合材料构成，其中金属成分具有Pt的主要成分，而陶瓷成分包含 氧化锆的主要成分。可以确定陶瓷成分含量相对于金属成分和陶瓷成分的 总重量为位于例如从10到20wt。/。之间的范围内的值。
另夕卜，测量电极134包括在对抗氮氧化物NOx方面具有活性的Pt-Rh 电极。Pt-Rh电极含有Rh，该Rh含量相对于金属成分的总重量例如在 10-50wt。/。之间。
另夕卜，与传感器单元135的测量电极134和基准电极132类似，内部 泵电极121和外部泵电极122由金属陶瓷材料，该金属陶瓷材料包含具有 Pt的主要金属以及包含以氧化锆为主要成分的陶瓷成分。可以确定陶瓷成 分含量相对于金属陈分和陶瓷成分的总重量为位于例如从10到20wtW之间 的范围内的值。
另外，内部泵电极121由Pt-Au电极组成，该Pt-Au电极在对抗NOx 方面不具有活动性。Au含量相对于金属成分的总重量为例如l-10wt。/。之间 的值。
如图16所示，氧气监控器单元140的内部监控器电极141和外部监控 器电极142经由监控器单元电源Vm和Im检测电路部分46而与NOx传感 器电路40相连接。
与传感器单元135的测量电极134和基准电极132类似，内部监控器 电极141和外部监控器电极142由包含金属成分和陶瓷成分的金属陶瓷混 合材料构成，其中金属成分具有Pt的主要成分，而陶瓷成分包含氧化锆的 主要成分。可以确定陶瓷成分含量相对于金属成分和陶瓷成分的总重量为 位于例如从10到20wtM之间的范围内的值。
另外，内部泵电极121由Pt-Au电极构成，该在Pt-Au电极对抗NOx 方面不具有活动性。Au含量相对于金属成分的总重量为例如1到10%之间 的值。
氧气监控器单元140包括反馈电路750，其允许由Im检测电路部分46 测量的电流值反馈回到氧气泵单元125，以使得可以在操作中控制氧气泵单元125。也就是说，例如，执行控制以使得如果由Im检测电路部分46测量 的电流值超过给定值，则增加从泵单元电源Vp施加到氧气泵单元125的电 压，以增加将从测量气体腔室111传输的氧气泵入到第二基准气体分隔室 102的能力。
另夕卜，测量电极31、基准电极132 (外部监控器电极142)、内部监控 器电极141、内部泵电极121以及外部泵电极122都经电导电的引线部分和
通孔而被电连接到外部端子。.
如图13和14所示，金属陶瓷加热器115包括加热器基底115a、堆叠 在加热器基底115a上的绝缘层115b以及夹在加热器基底115a和绝缘层 115b中间的加热元件150。
利用该金属陶瓷加热器115，更近一步地，用于在接通时加热的加热元 件150以及引线部分153通过构图而形成在由铝材料制成的薄片上，并且 将绝缘层U5b放置在加热元件150上。加热元件150由含陶瓷的金属陶瓷 混合材料制成，例如Pt和铝等。
陶瓷加热器115用于允许在加热元件150施加有来自外侧的电功率时 产生热量，用于将氧气泵单元125、传感器单元135和氧气监控器单元140 加热到活动性的温度。
加热元件150经由与加热元件150 —体形成的引线部分130、通孔(未 示出)以及端子部分(未示出)而施加有电功率。
另外，第一和第二固态电解质体151和152，间隔体130， 131和132, 绝缘层115b以及加热基底115a可以通过刮涂法或注射成型法等形成为类似 薄片的部件。
更进一步地，可以通过丝网印刷方法等形成测量电极134、基准电极 132、内部监控器电极141、外部监控器电极142、内部泵电极121以及外 部泵电极122。
另外，形成扩散阻力部分120的多孔体可以由丝网印刷等方法形成。 另外，气体感测元件110可以通过堆叠陶瓷薄片形成，适当地形成有 上述各种电极，以形成层叠体并且以统一的结构烧制该层叠体。 接下来将描述气体感测元件110的操作原理。
首先，在给定的扩散阻力下，测量气体通过扩散阻力部分120以被引入到测量气体腔室111。根据扩散阻力部分120的扩散阻力来确定引入的测 量气体量。在测量气体通过氧气泵单元125的内部泵电极121的表面传输 期间，测量气体的氧气浓度利用氧气泵单元125进行调节。
也就是说，在氧气泵单元125的一对电极之间施加电压以允许外部泵 电极122作为正电极，这将导致包含在测量气体中的氧气在内部泵电极121 上被减少以形成氧离子。由于泵送作用，将氧离子排放到暴露于基准气体 分隔室102的外部泵电极122。相反，如果施加电压以允许内部泵电极121 成为正电极，则在外部泵电极122上发生氧气减少以形成氧离子，该氧离 子将会由于泵送作用而被排放到暴露于测量气体腔室111的内部泵电极 121。也就是说，设计氧气泵单元125的结构以使得在将电压施加到采用成 对电极时，氧气泵单元125允许氧气流入或流出测量气体腔室125以调整 测量气体腔室111中的氧气浓度。
特别地，在测量气体流经扩散阻力部分120时，测量气体可能很容易 与内部泵电极121接触，导致氧气浓度很容易被调解。
接下来，测量气体穿过内部泵电极121而到达传感器单元135的测量 电极134以及氧气监控器单元140的内部监控器电极。
在将给定的电压(例如0.4伏)施加到氧气监控器单元140的成对电极 上以使得暴露于第一基准气体分隔室RGC1的外部监控器电极142成为正 电极时，在暴露于第一基准气体分隔室RGC1的内部监控器电极141上发 生测量气体中氧气的减少。这也导致了氧离子的形成，该氧离子由于泵送 作用而被排放到暴露于测量气体腔室111的内部监控器电极141，从而使氧 离子流动。
这里，由于内部监控器电极141由包括Pt-Au合金的金属陶瓷类的电极 组成，该Pt-Au合金在分解NOx方面不具有活动性，因此流经氧气监控器 单元140的氧离子电流取决于包含在测量气体中的氧气量而不取决于氮氧 化物的量。这允许检测流经氧气监控器单元140的电流值，从而能够检测 测量气体腔室111中的氧气浓度。
进一步，设计本实施例的气体感测元件110的结构，以使得能够根据 流经氧气监控器单元140的电流检测值并且经由反馈电路750来控制氧气 泵单元125，以允许测量其它腔室111具有处于给定的固定值的氧气浓度。即，对来自氧气将空气单元140的输出信号做出响应，控制施加到氧气泵 单元130的电压以允许氧气监控器单元140提供其值处于期望的固定值(例 如0.2pm)的电流值，这将使测量其它腔室111的氧气浓度控制在固定值。 此外，将给定电压(例如，0.4V)施加到传感器单元135以使得暴露于第 一基准气体分隔室RGC1的基准电极132成为正极。如上所述，由于测量 电极134包括由在分解氮氧化物方面具有活动性的Pt-Rh合金制成的金属陶 瓷电极，所以在测量电极134上发生包含在进入测量气体腔室111中的测 量气体中的氧气和氮氧化物减少的现象，以形成氧离子。由于泵送作用， 氧离子被排放到暴露于第一基准气体分隔室RGC1的基准电极132，从而使 氧离子流流经测量电极134和基准电极132。该电流表示从包含在测量气体 中的NOx和氧气浓度所推导出的电流。
同时，如上所述，流经氧气监控器单元140的电流代表取决于测量气 体腔室111中的氧气浓度的电流。因此，可以基于流经传感器单元135的 电流值和流经氧气监控器单元140的电流值的差值来检测NOx浓度。
气体感测元件110按照如下方式操作。
在第一固态电解质体151上形成扩散阻力部分120以在第一和第二固 态电解质体151和152之间沿着与层叠方向垂直的方向从测量气体腔室111 延伸。这縮短了扩散阻力部分120的外部端壁120a，即测量气体的进入口， 与测量电极134之间的距离，从而使气体感测元件110的响应增强。
利用本实施例的气体感测元件110，在沿着与气体感测元件110的纵向 方向Y垂直的宽度方向X延伸的区域中在第一固态电解质体151上形成扩 散阻力部分120。这很容易产生每个扩散阻力部分120的外部端壁，即测量 气体进入口，与测量电极134之间的距离减小的效果。因此，气体感测元 件110可以具有进一步增强的响应。
此外，在内部泵电极121的外部端壁211的向内区域中在第一固态电 解质体151上形成测量电极134。这允许氧气泵单元125在测量气体到达测 量电极134之前调节该测量气体中的氧气浓度。因此，气体感测元件110 可以具有更高的测量精度。
利用本实施例的气体感测元件110，特别地，在内部泵电极121的外部 端壁212的向内区域中在第一固态电解质体151上形成测量电极134。这允许利用氧气泵单元125适当地调节氧气浓度，并且隨后向测量电极134提 供氧气浓度调节后的测量气体。因此，气体感测元件110在测量特定的气 体浓度方面具有更高的精度。
进一步，沿着层叠方向，扩散阻力部分12和内部泵电极121彼此靠近 设置。因此，在测量气体通过扩散阻力部分120而被引导到测量气体腔室 111的阶段期间可以使测量气体适当地保持为与内部泵电极121接触。在该 阶段，因此，氧气泵单元125可以适当地泵送氧气，从而能够适当地调节 测量气休中的氧气浓度。
此外，利用设置有氧气监控器单元140的气体感测元件110，可以精确 地得到测量气体腔室111中的氧气浓度以获得测量结果。将该测量结果用 于反馈控制，以控制氧气泵单元125同时将该测量结果用于校正传感器单 元135的测量值，以便提高测量精度。此外，将内部监控器电极141设置 在内部泵电极121的外部端壁211的向内区域中。这能够使氧气监控器单 元120精确地测量氧气浓度，其中利用氧气泵单元125调节过该测量气体 的氧气浓度。
特别地，如果试图减小扩散阻力部分120的外部端壁120a与测量电极 134之间的距离S以得到改进的响应，则在适当地确保氧气泵送能力过程中 会出现困难风险。因此，提供氧气监控器单元140的步骤导致能够最小化 测量气休腔室111中的氧气浓度波动并且校正该测量值。因此，可以确保 检测特定气体浓度(NOx浓度)的精度。
利用本实施例的气体感测元件110，此外，内部监控器电极141设置在 内部泵电极121的内部端壁212的向内区域中。这使得能够向内部监控器 电极141提供具有利用氧气泵单元125调节过的氧气浓度的测量气体，从 而提高测量氧气浓度的精度。
此外，设计本实施例的气体感测元件110的结构以对关于氧气监控器 单元140中的氧气浓度的检测信号做出响应而控制施加到氧气泵单元125 的电压。这允许测量气体腔室111中的氧气浓度保持在固定值。特别地， 如果试图减小扩散阻力部分120的外部端壁120a与测量电极134之间的距 离S以得到改进的响应，则内部泵电极121倾向于具有减小的宽度W，导 致在适当地确保氧气泵送能力中的困难风险。因此，允许氧气监控器单元
55140监控测量气体腔室111中的氧气浓度，同时在反馈回路中向氧气泵单元 125提供所得到的检测信号，以便很容易地调节氧气浓度。
此外，设计氧气监控器单元140的结构，以使得当在内部监控器电极 141与外部监控器电极142之间施加给定的电压时，导致取决于测量气体中 的氧气浓度的电流流动。此外，做出另一设计以根据流经传感器单元135 的电流以及流经氧气监控器单元140的电流之差来检测特定气体浓度(NOx 浓度)。这使得能够校正传感器单元135中关于特定气体浓度(NOx浓度) 的测量值，可以得到精确的测量值。
进一步，由于扩散阻力部分12由多孔体构成，所以可以容易地调节扩
散阻力。
此外，扩散阻力部分120的外部端壁120a与测量电极134之间的最短 距离S被设置为1至3mm范围内的值。这导致能得到具有适当改进响应的 气体感测元件110，同时确保适当提高的测量精度。
如上所述，利用上述实施例，可以提供具有极好响应和更高测量精度 的气体感测元件。
下面将参考图17-19详细地描述第二修改形式的气体感测元件110A， 其中类似的组件部分与在图13-16所示的第一修改形式的气体感测元件的 那些具有相同的参考标记。
第二修改形式的气体感测元件110 A与第一修改形式的气体感测元件 110的不同之处在于气体扩散阻力部分120A的结构。即，利用第二修改形 式的气体感测元件110A，气体扩散阻力部分120A不是由用于第一修改形 式的气体感测元件110的气体扩散阻力部分120的多孔体构成，而是由具 有最小间隙的狭缝形成。通过沿层叠方向Z适当地调节厚度而在结构中形 成狭缝以获得期望的扩散阻力。可以将该厚度设置为例如5-50pm。
第二修改形式的气体感测元件110A与第一修改形式的气体感测元件 110具有相同的其它结构。
利用本实施例的气体感测元件110A，不需要执行形成多孔体的步骤， 从而实现生成成本的减少。
此外，本实施例中的气体感测元件IIOA与第一修改形式的气体感测元 件110执行相同的操作并且从而，这里省略了相同的详细描述。
56下面将参考图20-22详细地描述第三修改形式的气体感测元件IIOB， 其中类似的组件部分与图13-16所示的第一修改形式的气体感测元件的那 些具有相同的附图标记。
第三修改形式的气体感测元件110B与第一修改形式的气体感测元件 110的不同之处在于气体扩散阻力部分120B设置在测量电极134与内部泵 电极122之间，用于对测量气体提供扩散阻力。
气体扩散阻力部分120B包括由诸如氧化铝等的陶瓷制成的多孔体，其 在第一固态电解质体151上形成从而覆盖测量电极134和氧气监控器电极。 此夕卜，气体扩散阻力部分120B位于内部泵电极121的内部端壁212的向内 区域中。
第三修改形式的气体感测元件110B与第一修改形式的气体感测元件 IIO具有相同的其它结构。
利用当前修改的气体感测元件IIOB，可以向测量电极134提供首先利 用氧气泵单元125将其调节至适当的氧气浓度的测量气体，使得能够以改
进的精度检测特定气体浓度。
当前修改中的气体感测元件110B执行与第一修改形式中的气体感测元 件110相同的操作，因此，这里省去了相同部分的详细描述。
下面将参考图23-25详细地描述第四修改形式的气体感测元件IIOC， 其中类似的组件部分与图13-16所示的第一修改形式的气体感测元件的那 些具有相同的附图标记。
第四修改形式的气体感测元件HOC与第一修改形式的气体感测元件 110的不同之处在于氧气泵单元125C具有在面向测量气体腔室111的整个 表面区域中在第二固态电解质体152上形成的内部泵电极121C并且气体扩 散阻力部分120C形成在整个测量气体腔室111中以覆盖测量电极134和内 部监控器电极141，用于提供用于测量气体的扩散阻力。
当前修改形式的气体感测元件HOC与第一修改形式的气体感测元件
iio具有相同的其他结构。
利用当前修改的气体感测元件IIOC，氧气泵单元125C可以很容易地 调节测量气体腔室111中的氧气浓度。
当前修改的气体感测元件IIOC与第一修改形式的气体感测元件IIO具有相同的其他结构，因此，这里省去了相同部分的详细描述。
下面将参考图26-28详细地描述第五修改形式的气体感测元件110D， 其中类似的组件部分与第四修改形式的气体感测元件110C的那些具有相同 的附图标记。
第五修改形式的气体感测元件110D与第四修改形式的气体感测元件 110C的不同之处在于测量气体腔室111D包括彼此经由限制部分213相通 的第一测量气体腔室211D和第二测量气体腔室311D，并且内部泵电极 121C面向第一测量气体腔室211D而测量134和内部监控器电极141面向 第二测量气体腔室311D。此外，在位于面向第一测量气体腔室211D的位 置的整个表面区域中在第二固态电解质体152上形成内部泵电极121C。
间隔体130设置在第一和第二电解质体151和152之间并且包括三层 形式的陶质层130a、 130b和130c，该三层具有在不同位置形成的切口部分。 陶质层130a具有第一切口部分，通过其限定了限制部分213，并且陶质层 130c具有第三切口部分，通过其限定了第二测量气体腔室311D。
当前修改形式的气体感测元件HOC与第一修改形式的气体感测元件 110具有相同的其他结构。
利用当前修改的气体感测元件IIOD，测量气体经扩散阻力部分120而 被引导到第一测量气体腔室211D，在该第一测量气体腔室211D中氧气泵 单元125C调节氧气浓度。随后，测量气体通过限制部分213以流入第二测 量气体腔室311D，在该第二测量气体腔室311D中传感器单元135检测特 定的气体浓度并且氧气监控器单元140检测氧气浓度。
因此，可以得到具有更高测量精度的气体感测元件110D。
当前修改的气体感测元件110D执行与第四修改形式中的气体感测元 件110C相同的操作，因此，这里省去了相同的详细描述。
下面将参考图29-31详细地描述第六修改形式的气体感测元件IIOE， 其中类似的组件部分与上述的第一至第四修改形式的气体感测元件no至 110D的那些具有相同的附图标记。
第六修改形式的气体感测元件110E与第一至第四修改形式的气体感测 元件110至110D的不同之处在于没有监控器单元140。
利用这种结构，氧气泵单元125用于对来自测量气体腔室111的氧气
58进行充分排放，以将氧气浓度减少到传感器单元135对检测特定气体浓度 (NOx浓度)没有不利影响的程度。
当前修改形式的气体感测元件HOE与第一修改形式的气体感测元件 110具有相同的其他结构。
利用当前修改形式，可以很容易地制造气体感测元件110E且结构简单、 成本低。
当前修改的气体感测元件110E执行与第一修改形式中的气体感测元件 110相同的操作，因此，这里省去了相同的详细描述。
下面将参考图32-34详细地描述第七修改形式的气体感测元件110F， 其中类似的组件部分与上述第一修改形式的气体感测元件110的那些具有 相同的附图标记。
第七修改形式的气体感测元件110F与第一修改形式的气体感测元件 110的不同之处在于该气体感测元件110F具有形成有扩散阻力部分120F的 远端。
从图33和34显而易见的是，传感器单元135的测量电极134和氧气 监控器单元140的内部监控器电极141形成于第一固态电解质体151上， 并且以彼此平行的方式沿着宽度方向X彼此间隔开。
当前修改形式的气体感测元件110F与第一修改形式的气体感测元件 110具有相同的其他结构。
在正常应用中，传感器单元135在该远端附近的区域中设置在气体感 测元件110F上。因此，沿着纵向方向Y在气体感测元件110F的远端上提 供扩散阻力部分120F的步骤可以适当地最小化扩散阻力部分120F的外部 端壁，即测量气体的进入口，与测量电极134之间的距离S。
如上所述，进一步，沿着宽度方向X以彼此平行的方式放置测量电极 134和内部监控器电极141的步骤使测量电极134和内部监控器电极141与 扩散阻力部分120F的外部端壁120a之间的间隔相等。因而，使用氧气监 控器单元140检测的氧气浓度与实际保持在测量电极134中的测量气体中 的氧气浓度彼此相等。这导致能以更高的精度检测测量气体中的特定气体 浓度(NOx浓度)。
当前修改形式的气体感测元件110F与第一修改形式的气体感测元件iio具有相同的其他结构。
下面将参考图35-37详细地描述第八修改形式的气体感测元件IIOG， 其中类似的组件部分与上述第一修改形式的气体感测元件110的那些具有 相同的附图标记。
当前修改形式的气体感测元件110G与第一修改形式的气体感测元件 110的不同之处在于将内部泵电极121设置在扩散阻力部分120的向内区域中。
艮P，在层叠方向Z上，扩散阻力部分120与内部泵电极121不重叠。 此外，在宽度方向X上，扩散阻力部分120的内部端壁122与内部泵电极 121的外部端壁211保持在彼此邻近的状态。
当前修改形式的气体感测元件110G与第一修改形式的气体感测元件 IIO具有相同的其他结构。
利用当前修改形式的气体感测元件IIOG，可靠地通过扩散阻力部分 120的测量气体可以与内部泵电极121接触，从而使氧气泵单元125以更可 靠的方式实现对氧气泵送能力的控制。
因此，可以得到具有更高测量精度的气体感测元件IIOG。
当前修改的气体感测元件110G执行与第一修改形式的气体感测元件 IIO相同的操作，因此，这里省去了相同部分的详细描述。
在详细地描述本发明的具体实施例的同时，本领域的普通技术人员应 该理解可以根据本公开的总体教导做出对这些细节的各种修改和替代。因 此，所公开的具体结构只是示意性的而不限制本发明的范围，本发明的范 围由所述权利要求及其等同物的完全广度给出。
权利要求
1、一种连接到气体传感器的气体传感器控制设备，所述气体传感器控制设备包括由固态电解质体和形成在所述固态电解质体上的一对电极组成的气体感测元件，其中在接收到施加在所述一对电极两端的电压时，根据测量气体中特定成分的浓度而产生元件电流，所述气体传感器控制设备包括电流-电压转换器，具有连接到所述一对电极中的一个电极的一个端子，用于测量流经所述电流-电压转换器的所述元件电流；输出电路，用于对利用所述电流-电压转换器所测量的所述元件电流做出响应，输出所测量的结果作为元件电流测量值；施加电压设置电路，连接到所述电流-电压转换器的另一端子以设置要施加到所述感测元件的所述一对电极两端的施加电压；第一电通路，连接在所述输出电路与所述施加电压设置电路之间以将所述元件电流测量值施加到所述施加电压设置电路；第二电通路，连接在所述电流-电压转换器的所述一个端子与所述施加电压设置电路之间，在所述第二电通路中没有元件电流流动；开关装置，设置在所述第二电通路中，用于有选择地断开和闭合所述第二电通路；以及计算装置，用于在从所述施加电压设置电路施加的所述电压存在时，基于从所述输出电路输出的所述元件电流测量值来计算所述特定成分的浓度；其中，驱动所述开关装置的步骤允许所述施加电压设置电路将所述施加电压设置为调节后的级别，以使得所述电流-电压转换器的两个端子之间的电位差处于预定的特定值。
2、 如权利要求1所述的气体传感器控制设备，其中所述输出获取装置允许所述开关装置闭合以将所述电流-电压转换器的 所述两个端子之间的所述电位差调零，以在所述电位差保持在调零的情况 下获取所述输出电路的所述输出值。
3、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，其中所述第一电通路包括第一反馈通路，通过所述第一反馈通路所述输出 电路的所述输出被以反馈形式输入到所述施加电压设置电路，并且所述第 二电通路包括第二反馈通路，通过所述第二反馈通路出现在所述电流-电压 转换器的传感器侧端子处的电压被以反馈形式输入到所述施加电压设置电路；其中，所述开关装置设置在所述第二反馈通路中；从而在正常浓度检测操作期间，所述第一反馈通路进入到导通状态以 允许所述施加电压设置电路根据以反馈形式经由所述第一反馈通路输入的 所述输出电路的所述输出来设置所述施加电压；而在计算用于校正所述元件电流的所述电流校正值的操作期间，仅所 述第二反馈通路进入到导通状态以允许所述施加电压设置电路根据以反馈 形式经由所述第二反馈通路输入的所述电流-电压转换器的传感器侧端子电 压来设置所述施加电压。
4、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，还包括一装置，用于当所述开关装置进入到闭合状态时使所述施加电压设置 电路的所述施加电压被调节为相对于所述电流-电压转换器的传感器侧端子 电压感应出多个电位差的电压，以在电压被调节的多个状态下从所述输出 电路获取输出值；其中，所述校正值计算装置对在所述多个状态下所获取的所述输出电 路的所述输出值做出响应而计算增益校正值作为所述电流校正值。
5、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，其中 所述气体传感器的所述气体感测元件包括所述固态电解质体以及暴露于气体腔室的第一和第二单元，所述第一和第二单元中的每一个由形成在 所述固态电解质体上的一对电极构成，所述第一单元将进入到所述测量气 体腔室的测量气体的氧气量调节到给定的浓度级别，并且所述第二单元检 测具有利用所述第一单元调节后的所述氧气量的所述测量气体的特定成分；以及所述电流-电压转换器测量在所述第二单元中产生的第二单元电流以提 供第二单元电流测量值，基于所述第二单元电流测量值来计算所述特定成 分的浓度。
6、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，还包括 故障确定装置，用于基于由所述校正值计算装置产生的用于校正所述元件电流的电流校正值来确定在所述感测元件和传感器电路中的至少一个 中出现的故障。
7、 如权利要求1所述的气体传感器控制设备，还包括电动势检测装置，用于使所述开关装置闭合以允许所述电流-电压转换 器的两个端子之间的电位差处于调零状态，用于检测在所述调零状态下出现在所述感测元件中的电动势；以及故障确定装置，用于基于利用所述电动势检测装置所检测到的所述电 动势来执行对连接到所述故障检测装置的所述感测元件和传感器电路中的 至少一个的故障确定。
8、 如权利要求7所述的气体传感器控制设备，其中 在反馈回路中将所述电流-电压转换器的传感器侧端子电压输入到所述施加电压设置电路，以使得由所述施加电压设置电路所设置的所述设置电 压等于所述传感器侧端子电压；从而，所述电流-电压转换器的所述两个端子之间的所述电位差被调零。
9、 如权利要求7所述的气体传感器控制设备，其中 所述第一电通路包括在反馈回路中使所述输出电路的所述输出输入到所述施加电压设置电路的第一反馈通路，并且所述第二电通路包括在反馈 回路中使位于所述电流-电压转换器的所述传感器侧端子处的所述电压输入 到所述施加电压设置电路的第二反馈通路；其中，所述开关装置设置在所述第二反馈通路中；其中，在正常浓度检测操作期间，仅所述第一反馈通路进入到导通状 态，以允许所述施加电压设置电路根据在反馈回路中经由所述第一反馈通 路向所述施加电压设置电路输入的所述输出电路的所述输出来设置所述施加电压；以及而在检测所述电动势的操作期间，仅所述第二反馈通路进入到导通状 态以允许所述施加电压设置电路根据在反馈回路中经由所述第二反馈通路 输入的所述电流-电压转换器的所述传感器侧端子电压来设置所述施加电 压，以使得所述电流-电压转换器的所述两个端子之间的所述电位差被调零。
10、 如权利要求7所述的气体传感器控制设备，还包括 电压施加中断装置，用于当所述故障确定装置确定故障存在时中断所述设置电压到所述感测装置的所述施加。
11、 如权利要求7所述的气体传感器控制设备，其中 所述气体传感器的所述气体感测元件包括所述固态电解质体以及暴露于气体腔室的第一和第二单元，所述第一和第二单元中的每一个由形成在 所述固态电解质体上的一对电极构成，所述第一单元将进入到所述测量气 体腔室的测量气体的氧气量调节到给定的浓度级别，并且所述第二单元检 测具有利用所述第一单元调节后的所述氧气量的所述测量气体的特定成 分；以及其中，所述电流-电压转换器测量出现在所述第二单元中的所述元件电流。
12、 如权利要求11所述的气体传感器控制设备，其中 所述电动势检测装置在所述测量气体腔室中的氧气浓度处于表示所述给定的浓度级别的低氧气级别的情况下执行所述电动势检测。
13、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，其中 所述气体感测元件包括所述固态电解质体，所述气体感测元件具有暴露于基准气体分隔室的一个表面和暴露于测量气体腔室的另一表面，第一和第二单元包括分别形成在面对所述基准气体腔室和所述测量气体腔室的 所述固态电解质体的一个端部上的一对电极，以及在临近所述测量气体腔 室的区域中形成在所述固态电解质体的所述另一表面上的扩散阻力部分，以允许测量气体进入到所述所述测量气体腔室中；其中，所述第一单元用于将进入到所述测量气体腔室的测量气体的氧 气量调节到给定的浓度级别，并且所述第二单元用于检测具有利用所述第 一单元调节后的所述氧气量的所述测量气体的特定成分。
14、 如权利要求2所述的气体传感器控制设备，其中 所述气体感测元件包括第一和第二固态电解质体，所述第一和第二固态电解质体的每一个具有暴露于基准气体分隔室的一个表面以及暴露于测 量气体腔室的另一个表面，第一单元，所述第一单元包括在分别面对所述 基准气体分隔室和所述测量气体腔室的所述第一固态电解质体的一个端部 上形成的第一对电极，以及在分别面对所述基准气体分隔室和所述测量气 体腔室的所述第二固态电解质体的一个端部上形成的第二对电极，以及在 临近所述测量气体腔室的区域中设置在所述第一和第二固态电解质体之间 的扩散阻力部分，以允许测量气体进入到所述测量气体腔室中；其中，所述第一单元用于将进入到所述测量气体腔室的测量气体的氧 气量调节到给定的浓度级别，并且所述述第二单元用于将所述测量气体泵 送到所述测量气体腔室。
15、 如权利要求14所述的气体传感器控制设备，其中 所述第一单元包括形成在要暴露于所述基准气体分隔室的所述第一固态电解质体的所述一个表面上的基准电极，以及形成在要暴露于所述测量 气体腔室的所述第一固态电解质体的所述另一表面上的测量电极；以及所述第二单元包括形成在要暴露于所述基准气体分隔室的所述第二固 态电解质体的所述一个表面上的基准电极，以及形成在面对所述测量气体 腔室的所述第二固态电解质体的所述另一表面上的内部泵电极。
16、 如权利要求3所述的气体传感器控制设备，其中所述气体感测元件具有气体扩散范围频率，在所述气体扩散范围频率 之上，所述气体感测元件具有气体扩散能力以使所述测量气体进入到所述 气体感测元件的内侧；以及在小于所述气体扩散使能频率范围的时间间隔期间所述元件电流被调零。
17、如权利要求3所述的气体传感器控制设备，其中 所述元件电流处在4nA/ppm或更小的值。
全文摘要
本发明公开一种气体传感器控制设备，包括具有负端子的传感器单元，电流-电压转换器连接到该负端子，以及连接到所述电流-电压转换器的差分放大器以提供施加到微计算机的电流测量结果。所述电流-电压转换器具有连接有另一差分放大器的与传感器相对的端子。电流-电压转换器以及另一差分放大器的传感器侧端子通过电通路而彼此电连接，该电通路具有提供有切换电路的传感器-电流流动禁止通路。闭合切换电路以允许电流-电压转换器两端的电位差被调零。在切换电路闭合时，微计算机计算元件电流校正值，同时检测所述传感器单元的电动势，其中基于所述电动势来确定故障。
文档编号G01N27/409GK101514974SQ20091000821
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者寺西真哉, 延命昭一郎, 水谷圭吾, 秋元克英, 羽田聪 申请人:株式会社电装