DE19833453C2 - Vorrichtung und Betriebsverfahren an/in geheizten Gassensoren zur Minimierung von Leckstrom-Einflüssen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf geheizte Gassenso­ ren, wie sie neuerdings für die präzise Regelung und Überwa­ chung von Verbrennungsprozessen und Abgas-Reinigungsvorrich­ tungen mit z. B. Katalysatoren vorgesehen sind und verwendet werden. Solche Hochtemperatur-Gassensoren bestehen in der Re­ gel aus einem Substrat (-Plättchen oder -Folie), das mit einer gassensitiven, mit Elektroden versehenen Schicht als Sensorelement beschichtet ist und das mittels eines elektri­ schen Heizelementes, üblicherweise aus Platin bestehend, auf Temperaturen von z. B. 700 bis 900°C aufgeheizt wird. Dieses Aufheizen löst die Aufgabe, die Sensortemperatur unabhängig von den Strömungsbedingungen im Abgastrakt und der Abgastem­ peratur konstant zu halten, wodurch die Querempfindlichkeit des Sensors gegenüber der Temperatur minimiert wird. Ein sol­ ches elektrisches Heizelement ist üblicherweise in das Sub­ strat, dieses z. B. aus Aluminiumoxid bestehend, eingebettet. Dadurch wird es gegenüber den bei hohen Temperaturen auftre­ tenden Oxidationseffekten geschützt.

Ein beheizter Gassensor ist beispielsweise aus der DE 38 07 603 A1 bekannt. Hier wird ein halbleitender Gassen­ sor beschrieben, der aus einer Elektrode-Isolator-Halbleiter­ struktur mit direkt oder indirekt beheizter Gate-Elektrode aufgebaut ist. Durch die beschriebene Bauweise wird das Auf­ heizen des gesamten Sensors vermieden, wodurch bestimmte Vor­ teile erzielbar sind.

Speziell im Kraftfahrzeug mit einer z. B. 12 Volt-Anlage er­ folgt die Speisung der Heizung mit unipolaren Rechteck-PWM- Signalen (Puls-Weiten-Modulation), nämlich um elektrische Energie für die Sensorheizung einzusparen. Das auf der Ober­ seite des Substrats befindliche gassensitive Sensorelement liefert in der Regel, vom zu detektierenden/zu messenden Gas abhängig, nur schwache elektrische Signale im µA-Bereich bei z. B. ca. 1 Volt Betriebsspannung.

Bei praktisch zu realisierenden Sensoren tritt das Problem auf, daß die Wirkung des Stromflußes durch das Heizelement störenden Einfluß auf die Meßempfindlichkeit des Sensors hat. Dieser Einfluß ist auch durch Verwendung guter Isolatoren als Substrat nicht auszuschließen, weil die für das Substrat zur Verfügung stehenden Isolatormaterialien bei Temperaturen über 600°C störend hohe elektrische Leitfähigkeit haben.

Eine bekannte Abhilfe ist, in Pausen des ansonsten fließenden Heizstroms die gassensitiven Sensorsignale zu messen.

Aber auch bei Anwendung dieser Maßnahme treten im realen Fall noch störende Effekte auf, die direkt das physikalische Ver­ halten und die Meßempfindlichkeit des Sensorelements stark beeinträchtigen. Es ist dies das Entstehen von Polarisations­ defekten infolge des Auftretens von über die Betriebsdauer hinweg über/durch das Substrat und das Material des Sensore­ lements zum Heizelement (oder in Gegenrichtung) fließenden unipolaren Leckströmen mit dem Ergebnis einer Langzeitdrift. Im Falle eines Sensors, bestehend aus einer oder mehreren Festkörperelektrolyt-O₂-Pumpen, können auftretende Leckströ­ me unerwünschte Pumpeffekte bewirken und das Detektorsignal verfälschen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme an­ zugeben, mit der die voranstehend dargelegten Probleme in zu­ friedenstellender Weise gelöst und insbesondere über die Zeitdauer hinweg vom Betrieb der Heizung des Sensors unbeein­ flußte Sensorsignale des Gassensors zu erhalten sind.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Patentanspruches 1 ge­ löst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Das erfindungsgemäße Be­ triebsverfahren umfaßt die Merkmale der Ansprüche 6 und 7.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Gedanken, den übli­ chen Aufbau eines Gassensors mit integrierter Heizung derart abzuändern, daß Einflüsse des Heizers auf die Meßsensitivität weitestgehend ausgeschlossen sind, und zwar insbesondere für Sensoren mit Heiztemperaturen zwischen 500 und 1000°C. Mit der Erfindung bzw. als Aufgabenergänzung zu dieser ist hier auch erreicht, daß nicht ausschließlich hochwertige, elek­ trisch hochisolierende Isolatorsubstrate, z. B. nur hochreines Aluminiumoxid, verwendbar sind.

Das Erfindungsprinzip sieht vor, in den Aufbau des mit einem Heizelement versehenen Gas-Sensorelements eine abschirmende Elektrode einzufügen, mittels der aus dem Bereich des Heize­ lements stammende Leckströme daran gehindert sind, in den physikalisch wirksamen Sensorbereich einzudringen. Weiter ist vorgesehen, daß unipolare Anteile von Leckströmen vom Senso­ relement zur Schirmelektrode (oder umgekehrt) durch erfin­ dungsgemäß gewähltes Potential der Schirmelektrode minimiert sind.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben:

Fig. 1 zeigt ein Prinzipbild zur Erfindung.

Fig. 2 zeigt zu Fig. 1 einen Schaltungsaufbau mit Ein­ stellung/Regelung des Potentials der Schirmelek­ trode.

Fig. 3 zeigt einen Schaltungsaufbau mit einer Potential­ regelung, verbunden mit einer Temperaturmeßein­ richtung.

Die lediglich als schematische Übersichtsdarstellung dienende Fig. 1 zeigt den Sensor 1 und mit 11 bezeichnet das Sensore­ lement. Mit 12 bezeichnet ist das Heizelement, das aus einer steuerbaren Heizstromquelle 112 gespeist wird. Die erfin­ dungsgemäß vorgesehene Schirmelektrode ist mit 13 bezeichnet. Diese vermag sowohl aus dem Heizelement 12 herrührende Leck­ ströme Ih als auch vom Sensorelement 11 herrührende Leckströ­ me Is aufzunehmen und leitet sie (Ih+ Is) ab, nämlich soweit an diese Schirmelektrode 13 ein dazu passend bemessenes Po­ tential P mit niedrigem Innenwiderstand angelegt ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das an die Schirmelektrode 13 angelegte elektrische Potential bevorzugt so bemessen, daß der über Zeitabschnitte (Δt) gemessene Mit­ telwert zwischen Gassensorelement 11 und Schirmelektrode 13 fließender Ladungsmenge (ΔQ × Δt) unipolarer Anteile auftre­ tenden Leckstroms minimiert wird. In erster Näherung ist die­ ses erfindungsgemäß vorgesehene Potential konstant gehalten und wird so bemessen, daß der zeitliche Mittelwert eines wie nachfolgend beschrieben ermittelten Stromes Is minimiert ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, insbesondere für die Erfassung von Strömen im nA-Bereich die Minimierung "online" durchzuführen. Diese Weiterbildung sieht vor, daß das Potential der Schirmelektrode 13 fortlaufend mit Hilfe von sensorinternen Signalen gesteuert und der Strom Is fort­ laufend auf einen Minimalwert geregelt wird. Die Fig. 2 zeigt dazu als Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführung ein Schaltbild. Die Schaltung der Fig. 2 enthält außer den bereits erwähnten Einzelheiten 11 bis 13 noch eine Regler­ schaltung 14 und eine steuerbare Potentialquelle 15. Letztere ist in den Stromkreis der Schirmelektrode wie dargestellt eingefügt.

In an sich bekannter Weise läßt man, nämlich zum Messen des eigentlichen gassensorischen Meßsignals, einen Meßstrom Im über die Anschlüsse 111 durch das Sensorelement 11 hindurch­ fließen. Man läßt diesen Meßstrom mit fortlaufend, insbeson­ dere periodisch sich ändernder Richtung Im+ und Im- fließen. Das gassensorische Meßsignal wird, damit es vom Heizstrom nicht beeinflußt ist, zu Zeiten gemessen, in denen kein Heiz­ strom durch das Heizelement fließt. Bei z. B. getaktetem Heiz­ strom erfolgt diese Messung in den Taktpausen. Diese Regel gilt auch für die Erfindung.

Zur Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe werden aber auch noch solche Stromwerte Im+ und Im-, d. h. die Meßstrom­ werte in der einen Richtung und in der Gegenrichtung durch das Sensorelement fließender Ströme ermittelt, die bei jedoch gleichzeitig fließendem Heizstrom gemessen sind. Die also bei fließendem Heizstrom gemessenen Stromwerte Im+ und Im- dienen nämlich bei der Erfindung dazu, eine Einstell-/Regelgröße für dasjenige elektrische Potential zu gewinnen, das einem Merk­ mal der Erfindung gemäß an die erfindungs- und anspruchsgemäß vorgesehene Schirmelektrode 13 anzulegen ist.

Es wird der Differenzwert Im+ minus Im- der beiden wie voran­ stehend gemessenen Meßströme des Sensorelements festgestellt und es wird dieser Differenz-Stromwert als Signal eines uni­ polaren Stromes dem Regler 14 der erfindungsgemäß vorgesehe­ nen Regelschaltung zugeführt. Dieser Differenz-Meßwert ist der durch indirekte Messung gewonnene oben erwähnten Strom­ wert Is zwischen Sensorelement und Schirmelektrode.

Die Steuerung der Potentialquelle 15 durch das Ausgangssignal des Reglers 14 erfolgt dann derart und führt dazu, daß erfin­ dungsgemäß die Schirmelektrode 13 vorzugsweise fortlaufend auf einem solchen elektrischen Potential gehalten wird, daß fortlaufend der Stromwert Is wenigstens zeitlich gemittelt minimiert ist.

Mit der mit der Erfindung zu erreichenden geregelten Minimie­ rung des Stromwertes Is läßt sich ein insbesondere über län­ gere Betriebsdauer des Sensors hinweg beobachtetes Auftreten von Polarisationsdefekten vermeiden.

In der Regelschaltung kann vorzugsweise noch ein Tiefpaß 26 vorgesehen sein, der die eigentliche Regelung gegen mögliche Störungen schützt, die aus der Heizstromversorgung kommen könnten.

Das Material der/bzw. die Schirmelektrode 13 muß um wenig­ stens eine Größenordnung besser elektrisch leitend sein als die elektrische Isolation zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode. Insbesondere ist die Schirmelektrode 13 eine metallische Schicht aus z. B. Platin, Platinmetall und dgl. innerhalb des Aufbaus. Es genügt aber auch, dafür ein nicht zu weitmaschiges Netz/Gitter vorzusehen.

Eine weitere Ausgestaltung der Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt die Fig. 3. Zur Fig. 2 bereits beschriebene Bezugs­ zeichen gelten auch für die Fig. 3. Es ist dort in Weiter­ bildung der Erfindung die Schirmelektrode 13 außerdem als in­ tegrierter Temperaturfühler genutzt und ausgebildet. Ein sol­ cher konstruktiv integrierter Temperaturfühler ist von großem Vorteil. Die Meßwert-Erfassung der Temperatur erfolgt über die Messung des elektrischen Widerstandes des Materials der Schirmelektrode 13. Das Material der Schirmelektrode 13 weist einen temperaturabhängigen spezifischen elektrischen Wider­ stand auf. Zusätzlich zeigt Fig. 3 eine Wechselspannungs­ quelle 21 für einen Meßstrom, der über einen Meßwiderstand 22 als Meßelement durch wenigstens einen Anteil der Schirmelek­ trode 13 fließt. Der Temperaturwert der Schirmelektrode 13 kann als Spannungsabfall am Meßwiderstand 22 erfaßt werden. Für den die Schirmelektrode 13 in ihrer Funktion als Tempera­ turfühler hindurchfließenden elektrischen Strom der Wechsels­ pannungsquelle 21 wird eine relativ niedrige Frequenz bevor­ zugt. Das Bandpaßfilter 24 ist so ausgelegt, daß es nur die Frequenz des Temperatur-Meßstromes durchläßt. Gegebenenfalls ist noch eine Gleichrichterstufe 25 vorgesehen, an deren Aus­ gang dann das Temperatursignal zu erhalten ist. Bei der Aus­ führungsform nach Fig. 3 ist dem Regler 14 vorteilhafterwei­ se zusätzlich noch ein Tiefpaßfilter 26 vorgeschaltet, mit dem (auch) durch die Temperaturmessung generierte Störungen vom Regelkreis ferngehalten werden können.

Auch bei der Ausführung nach Fig. 3 kann der einzustellen­ de/zu regelnde Potentialwert für die Schirmelektrode aus der gemessenen Größe I_S bestimmt, die wie oben angegeben ermit­ telt wird.

Die eigentliche Messung des gassensitiven Sensorwertes Us er­ folgt wie nach dem Stand der Technik vorzugsweise mit Wech­ selstrom als Meßstrom.

Claims (7)

1. Gassensor (1) mit geheiztem Sensorelement (11) mit An­ schlüssen (111) für einen Meßstrom (Im), mit einem mit Strom­ durchfluß zu betreibenden Heizelement (12), wobei diese Elemente (11, 12) in flächig ausgedehntem Schichtaufbau derselben übereinanderliegend zusammen mit ei­ nem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Sensorelement (11) und dem Heizelement (12) eine ebenso flächig ausgedehnte Schirmelektrode (13) mit Anschluß (P) für den Anschluß eines elektrischen Potentials vorgesehen ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, mit einer als Gitter/Netz ausgebildeten Schirmelektrode (13).

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Regelelektronik mit einem Prozessor (16) zur Bildung eines Differenzwertes (Is) von Strömen (Im) und einem Regler (14), der einerseits mit dem Prozessor (16) und ande­ rerseits mit einer regelbaren Potentialquelle (15) verbunden ist, die (15) mit dem Anschluß (P) der Schirmelektrode (13) verbunden ist.

4. Gassensor nach Anspruch 3, mit einer die Regelelektronik ergänzenden Temperatur­ meßeinrichtung (22, 25) und einer Wechselstromquelle (21) für Stromdurchfluß durch die Schirmelektrode (13) hindurch und durch einen Meßwiderstand.

5. Gassensor nach Anspruch 3 oder 4, mit einem elektrischen Filter (26) im Stromkreis des Reglers (14) zur Abschirmung von Wechselstromstörungen der Heizung des Heizelements (12).

6. Verfahren zum Betrieb eines Gassensors nach Anspruch 3 mit den Verfahrensschritten:

• 1. Meß-Stromdurchfluß (Im+, Im-) durch das Sensorelement (11) mit abwechselnder Stromrichtung des Stromdurchflusses während fließenden Heizstromes im Heizelement (12)
• 2. Ermittlung (16) der aktuellen Meßwertdifferenz (Is = Im+ minus Im-) der Meßströme (Im+, Im-)der beiden Richtungen durch das Sensorelement (11) und
• 3. Zuführung der Meßwertdifferenz an einen Regler, in dem mit dieser Meßwertdifferenz (Is) ein an die Schirmelektrode (13) anzulegendes Potential (P) geregelt eingestellt wird, so daß die Meßwertdifferenz (Is) auf einem Minimalwert gehalten wird.

7. Verfahren zum Betrieb eines Gassensors nach Anspruch 4 mit einer Temperaturmeßeinrichtung, wobei ein Stromfluß durch das einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweisende Material der Schirmelek­ trode (13) hindurchgeleitet wird und aus der temperaturabhän­ gig sich ändernden Stromstärke der aktuelle Temperaturwert ermittelt wird.