Beschreibung

Titel

Sensorelement zur Bestimmung von verschiedenen Gasanteilen in einem Messgas

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung von unterschiedlichen Gasanteilen in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine .

Sensorelemente zur Bestimmung von Gasanteilen in einem Messgas sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Bereich der Kraftfahr- zeugtechnik sind beispielsweise Lambda-Sonden bekannt, welche den Sauerstoffgehalt im Abgas messen, um, basierend auf dem Messergebnis, eine Regelung des Verbrennungsvorgangs durchzuführen. Derartige Sensorelemente sind dabei im heißen Abgasstrom angeordnet, wobei sie sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Moderne Sensorelemente sind dabei als elektrochemische Festkörperelektrolytsensoren ausgebildet und weisen einen Heizer auf, um das Sensorelement auf Temperaturen von ca. 750° C aufzuheizen. Um einen weiter verbesserten Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Reduzierung von Abgasen zu ermöglichen, ist es jedoch notwendig, neben dem Sauerstoffgehalt des Abgases auch weitere Gasanteile im Abgas zu ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es unterschiedliche Gasanteile in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, bestimmen kann. Hierbei ist nur ein einziges Sensorelement notwendig. Das Sensorelement umfasst dabei

einerseits eine Lambda-Sonde zur Bestimmung des Sauerstoffanteils im Messgas und wenigstens einen Halbleitergassensor zur Bestimmung wenigstens eines weiteren Gasanteils in dem Messgas. Ferner umfasst das Sensorelement einen Multiplexer, welcher mit dem Halbleitergassensor verbunden ist. Die Verwendung des Multiplexers ermöglicht die Signalaufbereitung vor Ort und somit wird die Störempfindlichkeit des Sensorelements signifikant reduziert. Der Multiplexer ermöglicht die Einsparung von Signalleitungen, da er bei einer Vielzahl von Eingängen nur vorzugsweise einen Ausgang aufweist. Der Multiplexer reduziert somit die Anzahl der Sensoranschlüsse des Sensorelements. Dadurch wird eine besonders kostengünstige Herstellung des Sensorelements möglich.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist der Halbleitergassensor als Multigassensor ausgebildet und weist für jeden zu bestimmenden Gasanteil im Messgas wenigstens ein gassensitives Gate auf einem Halbleiter-Baustein auf. Alternativ könnten auch eine Vielzahl separater Halbleitergassensoren vorgesehen sein, welche jeweils nur einen Gasanteil im Messgas bestimmen können. Eine derartige Anordnung benötigt jedoch einen relativ großen Bauraum, so dass die Ausbildung des Halbleitergassensors als Multigassensor aus herstellungsbedingten Gründen und aufgrund ihrer Kompaktheit bevorzugt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Multiplexer im Halbleitergassensor integriert. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauweise realisiert werden und insbesondere auf separate Verbindungsleitungen zwischen dem Halbleitergassensor und dem Multiplexer verzichtet werden.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Multiplexer und der Halbleitergassensor jeweils ein separates Bauteil. Dadurch wird beispielsweise für den Multiplexer die Verwendung von Standardbauteilen möglich.

Ein für den Betrieb des Multiplexers vorzugebender Takt (Clock) zur Umschaltung der Messsignale an den Eingängen auf den oder die Ausgänge wird vorzugsweise durch einen im Multiplexer angeordnete, takterzeugenden Schaltkreis generiert.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein für den Multiplexer vorzugebender Takt durch eine externe, taktvorgebende Vorrichtung erzeugt. Besonders bevorzugt ist die externe, taktgebende Vorrichtung eine taktgebende Vorrichtung für eine Heizeinrichtung des Sensorelements. Diese taktgebende Vorrichtung ist beispielsweise eine Pulsweitenmodulation der Heizvorrichtung des Sensorelements, welches mittels der Heizvorrichtung periodisch getaktet beheizt wird. Dadurch muss lediglich eine Verbindung des Multiplexers mit der taktgebenden Vorrichtung der Heizvorrichtung vorgesehen werden. Dadurch kann der Multiplexer besonders einfach und kompakt aufgebaut sein und das Sensorelement sehr kostengünstig hergestellt werden. Ferner ist dann vorzugsweise eine Synchronsteuerung der Messung des Datenaustausche und der Heizung möglich, um störende gegenseitige Signalbeeinflussungen zu minimieren.

Weiter bevorzugt ist der Halbleitergassensor mit Hochtemperaturhalbleitern, insbesondere SiC, GaN oder GaAlN, hergestellt. Dadurch ergeben sich auch bei hohen Abgas- temperaturen über 300° C keine materialbedingten Probleme mit dem Halbleitergassensor.

Vorzugsweise ist zwischen der externen taktgebenden Vorrichtung für den Multiplexer und dem Multiplexer eine Monoflopschaltung angeordnet. Dadurch kann eine Verzögerung zwischen der Multiplexerumschaltung und den Taktimpulsen eingestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für den Multiplexer die externe taktgebende Vorrichtung für die Heizeinrichtung des Sensorelements verwendet wird, bei der die Gefahr besteht, dass der Strom bzw. die Spannung für die Heizvorrichtung in die Sensorsignale eingekoppelt werden.

Das erfindungsgemäße Sensorelement wird besonders bevorzugt in Fahrzeugen zur Bestimmung von verschiedenen Gasanteilen im Abgas des Fahrzeugs verwendet. Dabei

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werden vorzugsweise als Gase Sauerstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenmono- xid und/oder Ammoniak und/oder Kohlenwasserstoffe usw., im Abgas bestimmt.

Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Taktfolge einer Pulsweitenmodulation für eine Heizvorrichtung des Sensorelements und Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Sensorelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst das Sensorelement 1 eine Lambda-Sonde 2 zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Die Lambda-Sonde 2 ist konventionell aufgebaut und in Figur 1 nur schematisch dargestellt. Die Lambda-Sonde 2 umfasst eine Sensoreinheit 3, welche auf einem Basismaterial 4, insbesondere einem Feststoffelektrolyten, wie z.B. Zirkonoxyd, angeordnet ist. Ferner umfasst die Lambda-Sonde 2 eine Heizvorrichtung 5. In Figur 1 sind ferner zwei Anschlüsse 2a, 2b, für die Lambda-Sonde 2 dargestellt. Je nach Art der Lambda-Sonde können aber auch noch mehrere Anschlüsse vorgesehen sein. Die Heizvorrichtung 5 umfasst ebenfalls zwei Anschlüsse 5a, 5b, wobei die Heizvorrichtung 5 mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens oder eines festperiodisch getakteten Verfahrens beheizt wird. Die Heizvorrichtung 5 stellt dabei sicher, dass die Lambda-Sonde die

notwendige Temperatur von ca. 750° C während des Betriebes aufweist. Das kann z.B. durch Messung des Innenwiderstandes der Anschlüsse 2a und 2b geschehen.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 umfasst ferner einen Halbleitergassensor 6, welcher an der Lambda-Sonde 2 angeordnet ist. Der Halbleitergassensor 6 umfasst eine Vielzahl von Sensoreinheiten, um verschiedene andere Gasanteile im Abgas zu bestimmen. Die Sensoreinheiten sind dabei aus Hochtemperaturhalbleitern wie z.B. SiC, GaN oder GaAlN, hergestellt. Der Halbleitergassensor 6 ist dabei ebenfalls im Abgasstrom angeordnet. Für jede zu bestimmende Gasart aus dem Messgas ist auch dem Halbleitergassensor 6 somit ein Halbleiterbauelement, wie z.B. ein

Feldeffekttransistor, angeordnet, welche jeweils sensitiv auf ein vorbestimmtes Gas oder eine bestimmte Gruppe von Gasen ist. Jede dieser Sensoreinheiten auf dem Halbleitergassensor 6 liefert dabei mindestens ein elektrisches Signal, welches für die Bestimmung der zu messenden Gaskonzentration herangezogen wird.

Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst das Sensorelement 1 ferner einen Multiplexer 7, welcher ebenfalls an der Lambda-Sonde 2 angeordnet ist. Der Multiplexer 7 ist ein elektrischer Schaltkreis, welcher die vom Halbleitergassensor 6 kommenden Signale mehrerer Sensoreinheiten sequentiell in einen vorgegebenen Takt auf einen oder wenige Ausgangskanäle schaltet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Multiplexer 7 einen einzigen Ausgang 7a auf. Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Multiplexer 7 über eine Vielzahl von Verbindungsleitungen 9 mit dem Halbleitergassensor 6, genauer den einzelnen Sensoreinheiten des Halbleitergassensors, verbunden. Eine Zuleitung zum Halbleitergassensor 6 ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 6a bezeichnet.

Wie in Figur 1 gezeigt, weist das Sensorelement 1 einen sehr kompakten Gesamtaufbau auf. Der Multiplexer 7 und der Halbleitergassensor 6 sind dabei auf einer Außenseite der Lambda-Sonde 2 angeordnet.

Ferner ist eine Verbindungsleitung 8 zwischen einem Anschluss 5 a der Heizvorrichtung 5 und dem Multiplexer 7 vorgesehen. über die Verbindungsleitung 8 wird dem Multiplexer 7 ein zum Betrieb der Heizvorrichtung 5 verwendetes Taktsignal übertra-

gen. Figur 2 zeigt schematisch eine mögliche Ausbildung des Taktsignals in Form einer Pulsweitenmodulation. Das Taktsignal weist dabei einen festliegenden Grundtakt auf, wobei sich aufeinander folgende Pulse nicht überlappen. Dieser Takt T für die Heizvorrichtung 5 wird somit auch als Takt für den Multiplexer 7 verwendet. Somit wird für den Multiplexer 7 ein externer Takt zur Umwandlung der am Multiplexer ankommenden parallelen Signale in serielle Signale für den Ausgang 7a des Multiplexers 7 vorgegeben. Der Ausgang 7a des Multiplexers ist dabei mit einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) verbunden. Der Multiplexer 7 ermöglicht somit eine Reduktion der Anzahl der Anschlüsse des Sensorelements. Da der Multiplexer 7 als Takt (Clock) den Takt der Heizvorrichtung 5 verwendet, ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau. Wenn als Takt zum Betrieb der Heizvorrichtung 5 die Pulsweitenmodulation verwendet wird, muss allerdings darauf geachtet werden, dass die maximale Pulsweite nicht so groß wie der Grundtakt wird, d.h. das zwei aufeinanderfolgende Pulse noch zeitlich getrennt sind. Dies kann beispielsweise durch eine einzufügende Pause von wenigen Mikro- bis Millisekunden erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Multiplexer so betrieben wird, dass er z.B. auf die ansteigende Flanke des Taktes T für die Heizvorrichtung reagiert. Es sei ferner angemerkt, dass grundsätzlich auch ein unperiodisches Signal als Taktgeber für den Multiplexer 7 verwendet werden kann.

Die Lambda-Sonde 2 kann hierbei eine beliebige Art von Lambda-Sonde sein. Die Lambda-Sonde kann beispielsweise eine Sprungsonde oder eine reine amperometrische Grenzstromsonde ohne Referenzelektrode bzw. Pumpsonde oder eine amperometrische Grenzstromsonde mit Referenzelektrode bzw. Breitbandsonde sein. Bei allen verwend- baren Lambda-Sonden werden somit durch die erfindungsgemäße Zusatzfunktion des Sensorelements 1 zur Bestimmung von noch weiteren Gasarten lediglich zwei weitere Anschlüsse 6a, 7a vorgesehen. Es sei angemerkt, dass der Multiplexer 7 alternativ auch derart ausgebildet sein kann, dass er mehr als nur einen Ausgang 7a aufweist.

Es sei ferner angemerkt, dass es vorteilhaft ist, eine Monofiopschaltung zwischen den Multiplexer 7 und die Leitung 8 anzuordnen, da der Heizerstrom und die Heizerspannung für die Heizvorrichtung 5 in die Sensorsignale entkoppeln können. Ferner ist es

durch die Monoflopschaltung möglich, die Umschaltimpulse in der Frequenz zu teilen, wenn das Taktsignal vor dem Multiplexer oder danach noch integriert werden soll. Dadurch kann für einen längeren Zeitraum die Genauigkeit erhöht werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 3 ein Sensorelement 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorelement 1 des zweiten Ausführungsbeispiels ein integriertes Bauelement 10, welches den Halbleitergassensor 6 und den Multiplexer 7 umfasst. Mit anderen Worten ist der Multiplexer 7 in den Halbleitergassensor 6 integriert, so dass ein integriertes Bauelement 10 bereitgestellt wird. Dadurch kann auf die Vielzahl von Verbindungsleitungen 9 zwischen dem Halbleitergassensor 6 und dem Multiplexer 7 verzichtet werden. Somit kann das Sensorelement 7 noch kompakter aufgebaut sein und kostengünstiger hergestellt werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.