专利名称：具有简化电接触的加热的跳跃型探头的制作方法
具有简化电接触的加热的跳跃型探头
背景技术：
本发明涉及已知的传感器元件，这些传感器元件基于特定固体的电解特性，即基 于固体的传导特定离子的能力。这样的传感器元件尤其应用在机动车中，用于测量空气燃 料气体混合物成分，在这种情况下这些传感器元件也被称为“氧传感器(λ传感器)”并且 在减少废气中的有害物质方面不但在奥托发动机而且在柴油技术中起着重要作用。在此，通常在燃烧技术中用所谓的空气(过剩)系数“拉姆达”(λ)表示实际提 供的空气质量与燃烧在理论上所需的(即化学计量的)空气质量之间的比。空气系数在此 借助一个或多个传感器元件大多在内燃机的排气管线中的一个或多个位置处被测量。相应 地，“富的”气体混合物(即燃料过剩的气体混合物)具有空气系数λ < 1，而“贫的”气体 混合物(即燃料不足的气体混合物)具有空气系数λ > 1。除了机动车技术，这样的或类 似的传感器元件也应用在其它技术领域(尤其燃烧技术)中，例如应用在航空技术中或者 在调节燃烧器时例如应用在加热设备或发电站中。这样的传感器元件在此期间以大量的不同实施方式公知。一种实施方式是所谓的 “跳跃型探头”，它的测量原理基于暴露在基准气体下的基准电极与暴露在待测量的气体混 合物下的测量电极之间的电化学的电位差的测量。基准电极和测量电极通过固体电解质相 互连接，其中，由于它的传导氧离子的特性通常使用掺杂的二氧化锆(例如钇稳定的&02) 或类似的陶瓷作为固体电解质。理论上，正好在富的气体混合物与贫的气体混合物之间的 过渡中，这些电极之间的电位差具有特征化的跳跃，该跳跃可以用于围绕跳跃点λ =1有 源地调节气体混合物成分。这种跳跃型探头也被称为“能斯特电池”，其各种不同的实施例 例如己在 Robert Bosch GmbH =Sensoren im Kraftfahrzeug, 2001 第 1 版第 112 至 115 页 中描述。作为跳跃型探头的变换或补充，也采用所谓的“泵电池(Pumpzellen) ”，在泵电池 中将电的“泵电压(Pumpspanrumg) ”施加到通过固体电解质连接的两个电极上，其中，测量 通过泵电池的“泵电流(Pumpstrom) ”。与跳跃型探头的原理不同，在泵电池中两个电极通 常与待测量的气体混合物处于连接。在此，两个电极中的一个电极(大多通过可渗透的保 护层)直接地暴露在待测量的气体混合物下。但是，这两个电极中的第二电极这样地构造， 使得气体混合物不能直接到达该电极，而是必须首先穿透所谓的“扩散壁垒”，以到达与该 第二电极邻接的中空室中。作为扩散壁垒在此大多使用具有可有针对性地调节的空隙直径 的多孔陶瓷结构。如果贫的气体穿过扩散壁垒进入中空室中，则借助泵电压将负的第二电 极上的氧分子电化学地还原成氧离子，通过固体电解质传送到第一正电极并且在那里作为 自由氧重新释放。这些传感器元件大多以所谓的极限电流运行方式运行，即以这样一种运 行方式运行，在该运行方式中泵电压被这样地选择，使得穿过扩散壁垒进入的氧全部被泵 送到反电极。在这种运行方式中，泵电流与废气混合物中的氧分压近似成比例，从而这样的 传感器元件经常也被称为比例型传感器。与跳跃型传感器相比，这种比例型传感器允许作 为所谓的宽带式传感器在比较宽的空气系数λ范围中使用。在很多传感器元件中上述的传感器原理也被结合，使得这些传感器元件含有一个或多个根据跳跃型传感器原理工作的传感器(“电池”)和一个或多个比例型传感器。因此， 例如根据泵电池原理工作的“单电池(Einzeller) ”的上述原理允许通过加入跳跃型电池 (能斯特电池)扩展为“双电池(Doppelzeller)”。一种这样的结构例如在EP 0 678 740 Bl中描述。在此，借助能斯特电池测量上述与第二电极邻接的中空室中的氧分压并且通过 调节大多这样地追踪泵电压，使得在中空室中始终存在条件λ = 1。也可想到其它的调节。 这样的传感器元件的其它例子已在Robert Bosch GmbH "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001，第116至117页中描述。尤其在跳跃型探头中，但是也在其它类型的、其中测量废气侧的电极相对于被氧 环绕的基准电极的电位的传感器元件中，通常仅对于测量就需要两根用于传感器元件的连 接线。附加地，通常使用两根另外的用于加热的连接线，从而通常总共需要四根电缆。在很 多情况下，没有加热元件的传感器元件的运行是行不通的，因为未加热的探头在一些行驶 状态下过冷以至不能提供可利用的信号。然而，传感器元件的连接线或电缆的数目是传感 器元件的价格的一个重要因数。因此，存在减少连接触点的数目的努力。因此，DE 10 2005 003 813 Al例如描述了一种传感器元件，其中当基准电极与机动车的地连接时，测量相对 于该地的能斯特电压。在此，跳跃型探头可以这样地被运行，使得加热器供电通过与能斯特 电池的两根接线中的一根接线相同的电缆输送，其中，信号被时钟控制地分析处理。这能够 实现具有三根电缆或接线的加热的跳跃型探头的运行。然而，即便对于在DE 10 2005 003 813 Al中所示的传感器元件，仍然存在进一步节省的需求，以进一步降低传感器元件的成 本。
发明内容
本发明的基本构思在于，能斯特电压的读取和探头的加热通过相同的、优选唯一 的连接电缆运行，该加热或读取相对于地、尤其相对于机动车的地进行。相应地，根据本 发明提出了一种传感器元件以及一种包括该传感器元件的传感器装置，其能够将触点的数 目、尤其电缆和/或引线的数目显著地减少直至一根唯一的电缆，传感器元件必须借助所 述触点被接触。该传感器元件用于确定测量气体室中气体的至少一个物理特性。该传感器元件尤 其可以设计用于确定测量气体室内的气体中的气体成分的浓度和/或分压、尤其氧浓度或 氧分压。特别优选地，该传感器元件可在内燃机的废气中使用。然而也可想到其它设计方 案、待探测的气体成分和用途，其中，例如可以参考现有技术的以上描述。该传感器元件具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一个连接所述第 一电极与所述第二电极的的固体电解质。该固体电解质例如可以是传导氧离子的固体电解 质，例如钇稳定的二氧化锆(YSZ)。但是也可采用其它的固体电解质材料。这些电极可以包 括例如金属陶瓷电极，例如钼金属陶瓷电极。所述至少两个电极和所述固体电解质在此可 以构成一能斯特电池。该传感器元件还包括至少一个加热元件。该加热元件可以例如包括的回曲形的 加热电阻轨道。该加热元件可以尤其构造用于将传感器元件加热到优化的运行温度，例如 500°C和800°C之间的温度。该加热元件具有至少两个加热触点。这些加热触点中的至少一 个第一加热触点和第一电极可通过一共同的连接线接触。该共同的连接线优选集成在传感器元件的陶瓷的层结构中，使得该连接线可以通过一根唯一的外部接线接触。这些加热触 点中的至少一个第二加热触点和第二电极与一共同的地线连接。该共同的地线也可以例如 完全地集成在陶瓷的层结构中并且可以例如与传感器元件的壳体、例如金属壳体接触，使 得该地线的通过触点或电缆的外部接触是不必要的。但是，这样的外部接触同样是可以的。 也就是说，与现有技术不同，优选该加热元件、尤其该加热元件的一个或多个加热回曲部与 能斯特电池并联连接。由此允许节省引线，从而能够最终以仅仅一根引线运行该传感器元 件。优选地，所述第一电极与所述测量气体室处于连接，例如直接地或通过透气的保 护层(例如多孔的氧化铝)与所述测量气体室连接。所述第二电极优选与从所述测量气体 室分开的基准气体室处于连接。第一电极和第二电极能够以这种方式与固体电解质一起构 成能斯特电池，其中将第一电极的电位与基准气体室中的第二电极的电位比较。在此，基准 气体室可以例如包括与工作环境连接的基准气体通道。例如，该工作环境可以包括发动机 室，在该发动机室中存在处于正常条件下的空气。然而基准气体室的其它设计方案也是可 以的。因此，可以例如使用封闭的基准气体室，即这样的基准气体室，它没有或基本上没有 被来自测量气体室和/或工作环境的气体加载。在这种情况下，例如可以通过以下方式保 持或产生封闭的基准气体室内部的基准气氛，即该基准气体室作为“泵送的(gepumpte)基 准”运行，例如由开头所述的现有技术已知的那样。为此目的，该传感器元件可以例如包括 至少一个另外的泵电极。该另外的泵电极可以例如设置在与基准气体室在空间上分开的基 准气体通道中，以便与基准气体室中的第二电极一起例如通过相应的调节装置控制地在基 准气体室中产生确定的气氛(例如λ = 1)，该另外的泵电极也可以与第一电极完全地或部 分地相同。特别优选的是，在第一电极和共同的连接线之间设有至少一个串联电阻，例如欧 姆串联电阻。该串联电阻可以完全地集成在陶瓷的传感器元件中，例如集成在该传感器元 件的层结构中。然而，变换地或附加地，原则上也可想到在层结构外部的串联电阻的设计方案。在使用至少一个串联电阻的情况下，尤其在串联电阻至少部分地集成在层结构中 时，该加热元件与能斯特电池及串联电阻并联连接。该串联电阻用于在并联连接中避免能 斯特电池的损坏，尤其在传感器元件的时钟控制的运行方式中，如下面详细描述的那样。优 选地，包括第一电极、固体电解质和第二电极的能斯特电池具有能斯特电池电阻。在这种情 况下，所述串联电阻优选被这样地选择，使得在传感器元件的运行中，即例如在传感器元件 的典型的运行温度下，所述串联电阻具有所述能斯特电池电阻的2至10倍数值、优选约6 倍数值。以这种方式确保，在加热元件上下降的电压的主要份额施加在串联电阻上，从而避 免能斯特电池的损坏，在加热元件上下降的电压由于所述的并联连接也在并联的、包括能 斯特电池和串联电阻的分支上下降。然而有利的是，也可以完全消除附加的串联电阻，尤其当能斯特电池的欧姆电阻 本身设计得足够大时。这可以例如通过固体电解质、例如&02材料的足够厚度和/或通过 固体电解质的成分实现。该电阻应选择成至少这么大，以至尤其在达到运行温度时加热电 压的足够大的份额在固体电解质、例如陶瓷上下降并且仅这么小的电压在固体电解质 与该电极或这些电极之间的分界面上下降，从而不出现损坏。
还提出了一种用于确定测量气体室中气体的至少一个物理特性的传感器装置，该 传感器装置包括至少一个根据以上实施例中的一个或多个实施例的传感器元件。该传感器 装置还包括至少一个控制装置，该控制装置例如可以完全地或部分地集成在机动车的发动 机控制装置中。但是分开的控制装置是可以的。在此，该控制装置可以被设置用于实施在 下面描述的用于运行传感器装置的方法，使得除了所述的控制装置和传感器装置外根据本 发明也提供了 一种用于运行传感器元件的运行方法。该控制装置例如可以完全地或部分地 借助数据处理装置实施并且可以包括相应的程序技术的步骤，这些步骤例如借助适当的计 算机程序执行。所述控制装置被设置用于使所述连接线可选地与电能量源或者与测量装置连接。 为了该可选择的连接，可以设置例如一个或多个开关，使得尤其可以建立二选一的连接。该 电能量源可以例如包括电压源和/或电流源。例如，该控制装置可以被设置用于使连接线 与该电能量源的电正极连接。该测量装置尤其可以包括电测量装置，尤其电压测量装置和 /或电流测量装置。上述具有第一和第二电极、固体电解质、连接线和地线的传感器装置优选构造为 单一的传感器元件，即构造为唯一的陶瓷的层结构，而控制装置优选与该层结构分开地构 造。为此目的，该控制装置例如可以通过一根或多根连接线或电缆与该传感器连接。如上 所述，在此优选仅使用一单独的电缆将控制装置与连接线连接，而地线与传感器元件的地 连接。例如可以包括传感器壳体的该地可以例如与发动机组或机动车的地连接。特别优选的是，所述控制装置被这样地设置，使得在至少一个加热阶段中所述连 接线与所述电能量源连接并且在至少一个测量阶段中所述连接线与所述测量装置连接。所 述控制装置可以尤其被设置用于由所述测量装置的至少一个信号推导出气体的物理特性， 尤其推导出氧浓度和/或氧分压。该分析处理过程可以绝对地进行，其方式是使测量装置 的绝对信号例如分析地、经验地或半经验地与物理特性相关，例如通过相应的分析处理功 能、表格、相关曲线等等。但是变换地或附加地，也可以使用例如双点调节，其中分析处理步 骤仅在于确定例如气体混合物是处在富的状态中还是处在贫的状态中。在这种情况下，该 分析处理即为数字分析处理，它代替绝对测量值仅提供富/贫信息。特别优选的是，传感器元件被时钟控制地运行。在此，能斯特电压的读取优选在两 个加热时钟之间的时间内进行。相应地，可以在加热阶段和测量阶段之间交替地来回转换。 在此，可以例如将加热阶段设计成比测量阶段更长。也可想到这些阶段的可变的时间长度， 例如在脉宽调制的范围内。因为在加热元件和能斯特电池的并联连接中尽管存在串联电阻，但是在能斯特电 池上下降的电压通常是不可忽略的，所以在不利情况下可能在加热阶段期间由于能斯特电 池的泵效应而出现基准气体室中的气体混合物成分的改变。例如，当使用基准气体通道时， 来自第二电极周围区域的后续流或流出可能是有限的，使得通过泵送将基准气体通道抽空 或者在第二电极区域中基准气体通道内的氧分压下降。该效应可以通过以下方式避免，即 以交变的极性运行加热元件。为此目的，该控制装置例如可以设置用于在相继的加热阶段 中以交变的电极性运行该加热元件。以这种方式，即通过执行根据本发明的构思，允许制造一种传感器元件和一种传 感器装置，它们在构造上极其简单，但同时为能斯特电位的测量提供可靠且可控的基准。
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中详细地阐述。其示出图1示出根据本发明的、具有一根唯一的引线和基准空气通道的传感器装置的实 施例。
具体实施例方式在图1中示意性示出根据本发明的传感器装置110的一个实施例。该传感器装置 110包括传感器元件112和控制装置114，该传感器元件和控制装置通过单独的引线116相 互连接。传感器元件112包括在图1中象征性表示的壳体118，该壳体可以例如与机动车的 地120连接。实际的有源传感器元件作为陶瓷的层结构122集成在该壳体中。关于可能的 壳体形状118、尤其是结构形式和其它细节可以例如参考Robert Bosch GmbH “Sensoren im Kraftfahrzeug，，，2001，第 1 版，第 112 至 115 页。该传感器元件112或陶瓷的层结构122包括第一电极124、固体电解质126和第二 电极128。第一电极124与测量气体室130、例如内燃机的排气管线连接，在该测量气体室 中应求出氧浓度或氧分压，而第二电极128设置在基准气体室132中。在图1所示的实施 例中，该基准气体室132是基准空气通道134的一部分，基准气体室132通过基准空气通道 例如与从测量气体室130分开的发动机室连接。基准空气通道134例如可以构造为敞开的 通道或以透气的、多孔的介质(例如开孔型氧化铝)填充的基准空气通道。基准空气通道 134和工作环境、尤其发动机室之间的连接在图1中没有示出。在图1所示的实施例中，传感器元件112还包括加热元件136。该加热元件136用 于将传感器元件112调节到优化的运行温度，例如以便调节固体电解质126的氧离子传导 能力以及以便确保足够的相对于来自废气的有害物质的坚固性。这两个电极124和128及连接这些电极的固体电解质126 —起构成能斯特电池 138。第一电极124直接地或通过透气的保护层(例如在图1中未示出的开孔型氧化铝层) 与测量气体室130处于连接，而第二电极128通过基准空气通道134被加载定义的气体成 分。因此，该斯特电池138配有第一能斯特电池引线140和第二能斯特电池引线142，该第 一能斯特电池引线例如作为带状导线设置在陶瓷的层结构122的上侧面上并且与第一电 极124接触，该第二能斯特电池引线例如设置在基准空气通道134并且与第二电极128接 触。相应地，例如构造为加热回曲部或者例如包括至少一个加热回曲部的加热元件 136配有第一加热触点144和第二加热触点146。这些加热触点144、146和能斯特电池引 线140、142例如可以作为在层结构122中印制的导电轨道实现并且可以包括附加的、在图 1中未示出的绝缘层。根据本发明，在图1的传感器元件112中，与作为基准电极工作的第二电极128接 触的第二能斯特电池引线及第二加热触点146与共同的地线148连接。导线142和146的 合并可以在层结构122内部实现或者也可以在层结构外部、但在壳体118内部实现。在层 结构内部的合并例如通过使用相应的通孔敷镀实现。在图1中象征性地表示在陶瓷的层结 构122外部合并到共同的地线148。该地线148例如可以与地120连接，该地例如又可以自身与壳体118连接。串联电阻150集成到第一能斯特电池引线140中。该串联电阻150例如可以是陶 瓷的层结构122的组成部分，或者也可以变换地或附加地及如图1所示那样在陶瓷的层结 构122外部实现。欧姆电阻允许例如通过相应的印制层产生，例如通过陶瓷印制层或类似 材料产生。也可想到将串联电阻150分成多个例如可以串联连接的分电阻。变换地替代串 联电阻150，也可以如上列出的那样例如通过选择适当的几何形状和/或通过选择适当的 材料成分和/或通过适当的运行温度足够大地选择能斯特电池138的电阻。第一能斯特电池引线140和第一加热触点144与共同的连接线152连接。导线 140、144与共同的连接线152的连接例如可以再次在陶瓷的层结构122中实现，例如再次 通过使用相应的通孔敷镀。在这种情况下，串联电阻150优选是陶瓷的层结构122的组成 部分。变换地，如图1所示，与共同的连接线152的连接也可以在陶瓷的层结构122外部实 现，如图1所示。也就是说，在图1所示的实施例中，传感器元件112仅配有一个唯一的连接触点， 该连接触点象征性地以附图标记154画出并且与连接线152连接。该连接触点154又可以 与引线116连接，该引线将传感器元件112与控制装置114连接。在控制装置内部设有开关156，共同的连接线152可通过该开关可选地与电能量 源158或与测量装置160连接。该开关156可以例如是通过电子控制装置、例如微控制器控 制的开关。该电能量源158可以例如包括电压源、例如具有约IlV恒电压的电压源，其中， 连接线152可通过开关156例如与电压源的正极连接。如图1所示，该测量装置160可以例如包括电压测量装置，该电压测量装置在图1 中象征性表示。例如，电压可以通过测量电阻(在图1中未示出)测量。测量装置160可 以在它的与开关156相反的一侧例如与地120连接。在根据现有技术的常见传感器元件中，能斯特电池138上的能斯特电压通常在作 为能斯特电极工作的第一电极124与作为基准电极工作的第二电极128之间截取并且λ =1时的额定值例如确定为450毫伏。该基准电极在此贴在氧化锆上并且位于基准空气通 道134内或者作为泵送的基准运行。在常见的传感器元件中，加热元件136配有两根分开 的接线。也就是说，传感器元件总共必须与四个触点或接线接触。与之相比，图1中的根据本发明的传感器元件112被这样地设计，使得传感器元件 可以仅与该唯一的引线116接触。加热元件136的加热器电路仅配有一根单独的连接电缆， 电流从能量源158的正极经过加热元件136流到机动车的地120。能斯特电池138及与能 斯特电池串联的串联电阻150与加热元件136的加热回曲部并联连接。优选地，加热元件136的加热回曲部尽可能高欧姆地构造，例如具有30欧姆的加 热电阻。因此，在例如10. 7V的电压下允许将约3. 8瓦的加热功率馈入加热元件136中，通 过引线(即导线144、146、148和116)的低欧姆设计应使所述加热功率中的尽可能大的份 额在加热元件136的回曲部上、也就是在实际的加热电阻上下降。优选地，能斯特电池138具有能斯特电池电阻，加热元件136具有加热器电阻。在 此，加热器电阻和能斯特电池电阻被这样地选择，使得在运行温度下该加热器电阻至少近 似(即例如具有不超过20%的偏差地)为加上可选的串联电阻150的电阻的能斯特电池电 阻的五分之一。
因为传感器元件112仅配有该唯一的连接触点154，并且能斯特电池138和加热元 件138并联连接，所以传感器装置110的控制应借助控制装置114时钟控制地进行。为此 目的，例如软件控制地，可以时钟控制地来回转换该开关156，使得例如分别在加热阶段该 开关156处于图1所示的位置中，而在测量阶段该开关156被这样地转换，使得引线116与 测量装置160连接。在此，加热阶段和测量阶段可以设计成一样长或不一样长。可变的设 计方案也是可行的，例如仅在必要时在一个或多个较长的加热阶段之间中间插入一个或多 个测量阶段。为了使加热元件136尤其在测量阶段中不发生冷却，在时钟电路中优选地选择高 的占空比，即加热阶段与测量阶段之间的高比值。例如允许选择在20%和50%之间的占空 比。此外，壳体118可以构造为保护管，该保护管可以构造成封闭的。在使用串联电阻150的情况下，能斯特电池138应具有尽可能小的直流电阻，例如 最大20欧姆。该能斯特电池138的串联电阻150应约为能斯特电池138的能斯特电池电 阻的六倍大，即为例如120欧姆。因此，在加热阶段、即其中加热元件136被加载的时钟期 间，在以上实施例中在加热元件136的加热回曲部上下降约11V。由于根据本发明的并联连 接，在能斯特电池138和串联电阻150上下降相同的电压。在此，在运行温度下，以提到的 电阻比在能斯特电池138上下降约1. 5V，其余电压在串联电阻150上下降。在该电压下，尚 不会发生能斯特电池138、尤其固体电解质126的氧化锆的损坏。在达到运行温度之前，氧 化锆电阻和由此能斯特电池电阻仍较高，在固体电解质126的体积上下降的电压更多。然 而，这些电极124、128、即例如钼电极与固体电解质126之间的分界面在加热阶段期间不经 受明显更大的电压降。但是，由过高电压引起的损害通常出现这些分界面处，其方式是在那 里还原氧化锆并且形成金属锆，这可能导致传感器元件112或陶瓷的层结构122的褐色化 和电分流。但是本发明不是这种情况，因为主要的电压降在固体电解质126的内部体积中。在两个相继的加热阶段之间，优选没有外部电压被施加在加热元件136的回曲部 和能斯特电池138上。在该时间间隔中，可以求出能斯特电压和由此求出废气成分。如果 在测量气体室130中存在富的废气，则能斯特电池138产生约800毫伏的电压。该电压导 致经过串联电阻150和加热回曲部的电流，该电流为I = 0. 8伏/(30欧姆+20欧姆+120 欧姆)=4. 7毫安。该数值的电流可以毫无问题地由能斯特电池138提供。为了避免基准空气通道134的“泵空”或避免基准空气通道134中的气氛的成分 的可测量的变化，该基准空气通道134应当设计有高的储存体积和/或高的极限流。替代 地或附加地，在另一种实施方式中，该加热元件136可以通过电能量源158的适当设计和/ 或通过控制装置114中的附加的极性转换开关这样地运行，使得该加热元件136被加载交 变极性。以这种方式也能够避免基准空气通道134的排空。优选地，在以交变极性这样地 加载时，正极性更久地施加在加热元件136上，以稍微地“泵满”基准气体室132，即以升高 的氧分压加载。在图1所示的实施方式中，第一加热触点144优选与电能量源158的正极 连接，从而基准空气通道134被填充，因为否则流过的电流I = (1. 5V)/20欧姆=80毫安 能够激发作为基准电极工作的第二电极128的偏移(Continuous Shift Down, CSD)。在上述4. 5毫安电流下，在加热元件136的回曲部上的电压降为U = 4. 7毫安·30 欧姆=141毫伏。该电压降可以借助测量装置160在第一加热触点144与地120之间检测。 如果存在贫的废气成分，则在这里测得约U = 0毫伏的电压。
可能施加在机动车的地120上的干扰电压通常达到约50毫伏。视具体应用而定， 该值必须被保护。如果干扰电压的值落在待通过测量装置160测量的电压范围内，则上述 的电阻值、尤其是串联电阻150的值必须另外地确定大小。在上述的没有串联电阻150的变换方法中，能斯特电池138的内部电阻例如为140 欧姆。则得到与在上述的具有串联电阻150的实施例中至少近似相同的电压。在图1所示的实施例中，传感器元件112构造为具有基准空气通道134的传感器 元件。如上所述，但是变换地或附加地也可以使用泵送的基准。在这种泵送的基准中，能斯 特电池138的极性可以这样地实施，使得在加热阶段(其中可以将例如1.5伏施加在能斯 特电池138上)期间，基准气体室132以氧泵满。这意味着，用于填充基准气体室132的第 一电极124或附加的泵电极应作为阳极运行，即应当与泵电压源的负极连接。
权利要求
1.用于确定测量气体室(130)中气体的至少一个物理特性、尤其用于确定内燃机废气 中的氧浓度的传感器元件(112)，其中，该传感器元件(112)具有至少两个电极(124，128) 和至少一个连接这些电极(124，128)的固体电解质(126)，该传感器元件(112)还具有至少 一个具有至少两个加热触点(144，146)的加热元件(136)，这些加热触点(144，146)中的至 少一个第一加热触点(144)和这些电极(124，128)中的第一电极(124)可通过一共同的连 接线(152)接触，这些加热触点(144，146)中的至少一个第二加热触点(146)和这些电极 (124，128)中的第二电极(128)与一共同的地线(148)连接。
2.根据前一项权利要求的传感器元件(112)，其中，所述第一电极(124)与所述测量气 体室(130)处于连接，所述第二电极(128)与从所述测量气体室(130)分开的基准气体室 (132)处于连接。
3.根据前一项权利要求的传感器元件(112)，其中，所述基准气体室(132)具有以下基 准气体室中的至少一个与工作环境连接的基准气体通道(134)；封闭的基准气体室。
4.根据前一项权利要求的传感器元件(112)，其中，所述基准气体室(132)包括封闭的 基准气体室，所述传感器元件(112)包括至少一个另外的泵电极(124)，所述另外的泵电极 被设置用于使所述基准气体室作为泵送的基准气体室运行。
5.根据以上项权利要求之一的传感器元件(112)，其中，在所述第一电极(124)与所述 共同的连接线(152)之间设有至少一个串联电阻(150)。
6.根据前一项权利要求的传感器元件(112)，其中，所述第一电极(124)、所述固体电 解质(126)和所述第二电极(128)构成一能斯特电池(138)，该能斯特电池(138)具有能 斯特电池电阻，所述串联电阻(150)被这样地选择，使得所述串联电阻在所述传感器元件 (112)的运行中具有所述能斯特电池电阻的2至10倍数值、优选6倍数值。
7.根据以上项权利要求之一的传感器元件(112)，其中，所述第一电极(124)、所述固 体电解质(126)和所述第二电极(128)构成一能斯特电池(138)，该能斯特电池(138)具有 能斯特电池电阻，所述加热元件(136)的电阻在运行温度下至少近似为可选地加上所述串 联电阻(150)的电阻的所述能斯特电池电阻的五分之一。
8.用于确定测量气体室(130)中气体的至少一个物理特性、尤其用于确定内燃机废气 中的氧浓度的传感器装置(110)，该传感器装置包括至少一个根据以上权利要求之一的传 感器元件(112)，还包括至少一个控制装置(114)，其中，所述控制装置(114)被设置用于使 所述连接线(152)可选地与电能量源(158)、优选该电能量源(158)的电正极，或者与测量 装置(160)、尤其电压测量装置和/或电流测量装置连接。
9.根据前一项权利要求的传感器装置(110)，其中，所述控制装置(114)被设置用于这 样地运行所述传感器元件(112)，使得所述地线(148)与电的地(120)连接，优选与机动车 的地(120)连接。
10.根据前两项权利要求之一的传感器装置(110)，其中，所述控制装置(114)被设置 用于在至少一个加热阶段中使所述连接线(152)与所述电能量源(158)连接，所述控制装 置(114)还被设置用于在至少一个测量阶段中使所述连接线(152)与所述测量装置(160) 连接，所述控制装置(114)还被设置用于由所述测量装置(160)的至少一个信号推导出气体的物理特性，尤其推导出氧浓度和/或氧分压。
11.根据前一项权利要求的传感器装置(110)，其中，所述控制装置(114)被设置用于 实施时钟控制的测量，其中，加热阶段和测量阶段交替地实施。
12.根据前两项权利要求之一的传感器装置(110)，其中，所述加热阶段比所述测量阶 段更长。
13.根据前两项权利要求之一的传感器装置(110)，其中，所述控制装置(114)被设置 用于在相继的加热阶段中以交变的电极性运行所述加热元件(136)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定测量气体室(130)中气体的至少一个物理特性、尤其用于确定内燃机废气中的氧浓度的传感器元件(112)。该传感器元件(112)具有至少两个电极(124，128)和至少一个连接这些电极(124，128)的固体电解质(126)。该传感器元件(112)还具有至少一个具有至少两个加热触点(144，146)的加热元件(136)，其中，这些加热触点(144，146)中的至少一个第一加热触点(144)和这些电极(124，128)中的第一电极(124)可通过一共同的连接线(152)接触，这些加热触点(144，146)中的至少一个第二加热触点(146)和这些电极(124，128)中的第二电极(128)与一共同的地线(148)连接。
文档编号G01N27/406GK102007399SQ200980113316
公开日2011年4月6日 申请日期2009年3月6日 优先权日2008年4月17日
发明者L·迪尔, T·塞勒 申请人:罗伯特·博世有限公司