[发明专利]具有附加的富气调节装置的传感器元件

说明书

技术领域

本发明涉及已公开的传感器元件。这些传感器元件是以一定的固体 的电解特性，也就是这些固体的传导一定的离子的能力为基础。这种类 型的传感器元件特别是应用在汽车中，以测量空气燃料混合气的成分。 特别是这种类型的传感器元件用在所谓的“Lambda探头”中，并且在 降低无论是汽油机还是柴油机技术中的废气中的有害物质方面起着重 要作用。

在这种情况中通常在燃烧技术中用这种所谓的空气系数“Lambda” (λ)表示实际提供的空气质量和燃烧理论上所需要的(也就是化学计 算的)空气质量之间的比例。在这种情况中借助一个或者多个传感器部 件大多在内燃机的废气管道中的一个或者多个部位测量空气系数。相应 地“富的”混合气(也就是燃料富余的混合气)具有空气系数λ＜1，而 “贫的”混合气(也就是燃料缺少的混合气)具有一个λ＞1的空气系数。 除了汽车技术以外这种类型的和类似的传感器元件也应用在其它的技 术领域(特别是在燃烧技术领域)，例如在航空技术中，或者应用在例 如在供暖设备或者发电厂中的燃烧器的调节中。现有技术已公开了许多 不同实施形式的传感器元件，例如在Robert Bosch股份有限公司的 “Sensoren im Kraftfahrzeug(汽车中的传感器)”，2001年6月，第112 页-117页，或者在T.Baunach et al.的“Sauberes Abgas durch Keraiksensoren”，Physik Journal 5(2006)Nr.5，第33-38页中有描述。

有一种实施形式是所谓的“阶跃探头”(Sprungsonde)。它的测量 原理是建立在测量一个暴露在参考气体中的参考电极和一个暴露在待 测量的混合气中的测量电极之间的电化学的电位差的基础之上的。参考 电极和测量电极通过固体电解质彼此连接，其中，由于它的氧离子传导 特性通常将二氧化锆(例如钇-稳定化的二氧化锆)或者类似的陶瓷用 作固体电解质。理论上恰好在富混合气和贫混合气之间的过渡中电极之 间的电位差具有特征性的阶跃。人们可以利用这个阶跃，以测量和/或调 节混合气的成分。例如在DE 10 2004 035 826 A1，DE 199 38 416 A1和 DE 10 2005 027 225 A1描述了这种类型的阶跃探头的一些不同的实施 例，这些阶跃探头也称作“能斯特元件”。

代替地或者除了阶跃探头外还使用一种所谓的“泵元件”。在这种 泵元件中给两个通过固体电解质连接的电极提供“泵电压”，其中，通 过泵元件测量“泵电流”。和阶跃探头的原理的区别在于在泵元件中通 常是将两个电极和待测量的混合气连接。在这种情况中，两个电极之一 (首先通过一个可渗透的保护层)直接暴露在待测量的混合气中。也可 代替地将这个电极暴露在参考气体中。然而通常是如此地设计两个电极 中的第二电极的，即混合气不能直接到达这个电极，而是首先必须穿过 一个所谓的“扩散阻挡层”，以便到达一个和这个第二电极相邻的空腔 室。通常将一种具有根据目标可调节的孔径的多孔的陶瓷结构用作扩散 阻挡层。当贫废气穿过这个扩散阻挡层进入到空腔室时借助泵电压将第 二负电极上的氧分子电化学地还原成氧离子，并且通过固体电解质被输 送到第一正电极，并且在那里作为自由氧重新输出。通常这些传感器元 件在一种所谓的极限电流工作方式中运行，也就是在这样一种工作方式 中，在这种工作方式中是如此地选择泵电压的，即通过扩散阻挡层进入 的氧全部地泵给到对应的电极上。在这种工作方式中泵电流和废气混合 物中的氧的分压力接近成比例，因此，这种类型的传感器元件常常也叫 做比例传感器。和阶跃传感器相反，泵元件可在一个比较宽的领域用于 空气系数Lambda，因此泵元件特别用在所谓的宽带传感器中，以测量， 和/或调节λ＝1以外的混合气的成分。

上述阶跃元件和泵元件的传感器原理也可有利地组合使用，即所谓 的“多元件”。这样，传感器元件就可以包括一个或者多个按照阶跃传 感器原理工作的元件和一个或多个泵元件。在EP 0 678 740 B1中描述了 一个“双元件”的实例。在这种情况中借助能斯特元件测量在上面所描 述的、且和泵元件的第二电极相邻的空腔室中的氧分压力，并且通过调 节如此地制导泵电压，即始终在空腔室中保持λ＝1的条件。已公开这种 多元件结构的不同的改型。