用于车辆的废气引导元件、废气测量装置及用于制造废气引导元件的方法

摘要

本发明涉及一种用于车辆（100）的用来将废气的至少一部分（304）引导到传感器（302）的废气引导元件（200），其中，所述废气引导元件（200）沿着纵轴线（202）的方向比沿着横轴线（204）的方向以更大的延伸度延伸，其中，废气引导元件（200）沿着纵轴线（202）的方向是气体可通过的，其中，一个沿着纵轴线（202）的方向的端部构造为接收区域（208），并且对置的端部构造为测量区域（206），其中，特别是可将传感器（302）设置在测量区域（206）中，并且将气体接收元件（210）设置在接收区域（108）中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将废气的至少一部分引导到传感器的废气引导元件和一种相应的废气测量装置以及一种用于制造将废气的至少一部分引入到废气传感器的废气引导元件的相应的方法。

背景技术

在现实的废气传感器中，通常电加热的陶瓷传感器元件直接暴露在待分析的废气中。在新研发的一代废气传感器中—在所述废气传感器中将传感器元件作为微型构件设计在很小的以立方体的形式的结构空间中（正如例如在DE 102007040726中所描述的那样）—对结构的主要要求如下：

新式微型化的传感器元件的运行温度可以在实际的传感器的温度以下，并且因此在最大出现的废气温度以下。在运行时，传感器应被电加热，并且因此将温度调节到规定的数值。如果在发动机的一定运行点上的废气温度高于传感器的运行温度，则这种结构必须保证在传感器位置上的运行温度低于废气温度。（在目前在市场上销售的传感器中必须达到一种最小温度，更高的气体温度对于传感器元件来说并不是危险的，并且按照更小的加热功率要求在原则上来说反而是所希望的）。

传感器元件必须是电接触的，并且是机械地固定的。对于传感器的动力要求是与要被传感器所检测的物质有关的。通常，应尽可能无滞延地将气体输送到传感器。

本发明公开的内容

面对这种背景，借助于本发明介绍一种按照独立权利要求所述的用于将废气的至少一部分引导到传感器的废气引导元件，此外还介绍一种按照独立权利要求所述的使用这种废气引导元件的废气测量装置，并且最后介绍一种按照独立权利要求所述的用来制造将废气的至少一部分引导到废气传感器的废气引导元件的方法。从相应的从属权利要求和下面的说明中得到一些有利的方案。

用于将废气的至少一部分引导到传感器的废气引导元件沿着第一纵轴线的方向具有比沿着横轴线的方向更大的延伸度，其中，废气引导元件沿着纵轴线的方向是气体可通过的，其中，一个沿着纵轴线的方向的端部设计为接收区域，并且对置的端部设计为测量区域，其中，特别是可将传感器设置在测量区域中，其中，气体接收元件设置在接收区域中。

所谓“废气引导元件”可以理解为一种用于传感器、特别是废气传感器的、气体可通过的支承元件。所谓“延伸度”可以理解为废气引导元件的延展度或者长度。所谓的“纵轴线”可以理解为这样的一种轴线或者方向：所述废气引导元件沿着该轴线或者方向具有可能最大长度。所谓的“横轴线”可以理解为这样的延展度或者长度：废气引导元件沿着该延展度或者长度具有可能最小的长度。废气引导元件可设计为沿着它的纵轴线引导至少一部分废气。在这种情况中，可将所述一部分废气容纳在废气引导元件的接收区域中，并且将其引导到测量区域。在这种情况中，将气体接收元件设置在接收区域中。气体接收元件可以设计成从废气流中将废气流中的一部分废气引导到废气引导元件中。气体接收元件可以称作“功能元件”。从气体接收元件被引导到废气引导元件中的那部分废气可在废气引导元件中朝向测量区域引导。所谓“传感器”可以理解为这样一种传感器元件和/或废气传感器，它例如提供一种表示物理数值_—例如废气中的气体浓度的电信号。有利的是，对于现代传感器的热和化学的要求可以通过在空间上将传感器下沉到废气流中的这种设置并且将部分废气流还原而得到满足。

此外，在一种实施形式中也可将废气引导元件设置在废气传感器壳体中。废气传感器壳体可以设置在废气流的引导装置中。在这种情况中，废气传感器壳体的部分区域—在所述部分区域中设置有所述废气引导元件的接收区域—设置在废气流的引导装置的内部的废气流中。在这种情况中，废气传感器壳体的另一部分区域—在此部分区域中设置有废气引导元件的测量区域—设置在废气流的外部。

根据一种实施形式，所述接收区域可以设置在废气流的引导装置的内部，而测量区域可设置在废气流的引导装置的外部。在这种情况中，通过所述废气引导元件可以将至少一部分废气从废气流的引导装置的内部向废气流的引导装置的外部引导。“废气流的引导装置”可以理解为车辆的废气管路或者废气管路的一部分（例如废气装置）。这种类型的设置方式可以允许将一部分废气从废气流通过接收区域引导到测量区域。通过这种设置方式可以将测量区域中的废气温度与接收区域中的或者废气流中的废气的温度区分开来。特别是通过废气引导元件在测量区域中可以调节出比废气流中更低的温度。

可以将至少一个通道集成到所述废气引导元件中。代替地或者附加地可以将至少一个凹穴集成到所述废气引导元件中。代替地或者附加地可将至少一个腔室集成到废气引导元件中。代替地或者附加地可将至少一个多细孔的区域集成到废气引导元件中。至少代替地或者附加地可将印制导线集成到废气引导元件中。可将至少一个加热元件集成到废气引导元件中。也可将金属的和/或陶瓷的半成品集成到废气引导元件中，特别是至少一个陶瓷管。这样一种实施形式为在所述废气引导元件中的废气提供特别良好和快速导向或者引导的优点。

根据本发明的一种实施形式，所述废气引导元件具有至少一个电导线。在这种情况中，在使用所述至少一个电导线的情况中，所述接收区域中的气体接收元件、并且同时或者代替地是在测量区域中的传感器是可以电接触的。此外，废气引导元件可以具有至少两个电导线。集成到废气引导元件中的电导线可以代替外部的附加的布线。在使用一条电导线或者代替地在使用多条电导线的情况下，可以实现设置在测量区域中的传感器的接触、并且同时或者代替地实现在接收区域中的气体接收元件的接触。因此，所述气体接收元件可与设置在测量区域中的传感器进行电连接。有利地可将废气引导元件和/或所述至少一条电导线超出测量区域地延长，这样就使得例如一种可插接的连接和/或接触成为可能。通过这一措施，可将设置在测量区域中的传感器和/或气体接收元件与废气引导元件外部的控制器连接起来。

此外，可将所述气体接收元件设计为颗粒过滤器。代替地或者附加地也可将气体接收元件设计为扩散阻挡器。此外也可以设想，代替地或者附加地将该气体接收元件设计为一种泵元件。此外也可代替地或者附加地设计气体接收元件，以便实现改变被引入到废气引导元件中的部分废气的温度。此外本发明的这样一种实施形式也是有利的，即在所述的实施形式中，代替地或者附加地将所述气体接收元件设计成用于捕获或者过滤所预先确定的气体成分的元件。此外，例如在使用催化器的情况下，代替地或者附加地可将气体接收元件设计成用于催化地转换所述被引入到废气引导元件中的部分废气。所述催化器可以加热。

为了改进所述废气传感器元件的功能和/或稳定性，下述做法是有利的，即借助于气体接收元件—如例如过滤器、扩散阻挡器、催化器、吸气剂材料（Gettermaterial）、能斯特光电元件（Nernstzelle）、泵元件来预接一些附加的功能，在待测量的废气流的部分量到达传感器之前它就改变这一部分量的废气流的气体组成成分。在必要时，气体接收元件的一种实施形式要求不同于特别是微型化了的传感器的温度，这样就可以要求在废气管路/废气流和传感器之间进行热分离。有利地，所描述的实施形式能提供保护，防止点蚀和颗粒撞击，以及防止由例如炭黑的污染。

用于车辆的废气测量装置包括：

用于将废气的至少一部分引入到用于车辆的废气传感器的废气引导元件；

传感器，所述传感器设置在废气引导元件的测量区域中，并且同时或者代替地具有废气传感器壳体，所述废气传感器壳体可以设置在废气流的引导装置中，其中，废气引导元件设置在废气传感器壳体中，其中，废气传感器壳体的一个部分区域—在所述部分区域中设置有废气引导元件的接收区域—可设置在废气流中，其中，废气传感器壳体的另一部分区域—在所述部分区域中设置有废气引导元件的测量区域—可设置在废气流的外部。

按照一种实施形式，传感器可设置在所述废气引导元件的测量区域中。在这种情况中，所述传感器可设计为以场效应为基础的气体传感器。在这种情况中，可将所述传感器设计为微型化了的电化学的传感器。可在硅（Si）、碳化硅（Sic）或氮化镓（GaN）的基础上制造所述以场效应为基础的气体传感器。

此外可在测量区域中设置半导体传感器。在一种实施形式中，在使用半导体传感器或者在使用按照半导体处理工艺所制造的传感器的情况下，可将微电子装置集成到传感器中。在这种情况中，可直接在传感器中进行传感器信号的处理。当传感器通过至少一个电导线与气体接收元件连接时，集成在该传感器中的微电子装置可以控制和/或调节和/或测量在所述气体接收元件中的功能。

根据一种实施形式，可以在测量区域中设置传感器。所述传感器可直接与微电子装置耦合。可以将微电子的计算单元集成到传感器中。所谓的“微电子装置或者微电子的计算单元”在此可理解为一种电气设备，所述电气设备对于传感器信号进行处理，并且据此输出控制-和/或数据信号。微电子装置或者微电子的计算单元可以具有可按照硬件和/或软件设计的接口。在按照硬件的设计中，这些接口例如可以是所谓的系统-ASIC的部件，所述部件包括了该装置的最不同的功能。然而这些接口也可以是一些特有的集成的开关电路，或者这些接口至少部分地由一些分离的结构元件所构成。在按照软件的设计中，这些接口可以是一些软件模块。例如在微控制器上除了其它的软件模块之外就存在这样的软件模块。

此外，本发明在此还介绍了一种用来制造用于车辆的、用于将废气的至少一部分引入到废气传感器的废气引导元件的方法，其中，所述方法具有下述步骤：

提供气体接收元件和废气引导元件，所述废气引导元件在纵轴线的方向上具有比在横轴线的方向上更大的延伸度，其中，废气引导元件沿着纵轴线的方向是气体可通过的，其中，将一个沿着纵轴线的方向的端部设计为接收区域，并且将对置的端部设计为测量区域，其中，特别是将传感器设置在测量区域中；并且

将气体接收元件设置在废气引导元件的接收区域中。

在使用厚层工艺的制造方法的情况下制造所述废气引导元件也是有利的。代替地采用薄层工艺来制造废气引导元件也是有利的。借助于微系统处理技术来制造所述废气引导元件也是有利的。所谓的“厚层工艺”就是一种例如以氧化锆（IV）(ZrO₂)-、氧化铝(Al₂O₃)-或者低温-烧穿-陶瓷工艺(Low>

附图说明

下面借助于附图示意性地对本发明进行更加详细的说明。这些附图是：

图1：具有废气流引导装置和按照本发明的实施例所述的废气测量装置的车辆的简图；

图2：按照本发明的实施例所述的废气引导元件的简图；

图3：按照本发明的实施例所述的废气测量装置的简图；

图4：用于制造根据本发明的实施例所述的、汽车用的、将废气的至少一部分引入到传感器的废气引导元件的方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的下面描述的这些优选的实施例中，对于在不同的附图中示出的和功能相似的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中，不重复描述这些元件。

图1示出了一种车辆的简图，该车辆具有废气流104的引导装置102并且具有根据本发明的实施例所述的废气测量装置300。车辆100具有内燃机108。在那里出现的废气作为废气流104在使用用于废气流104的引导装置102的情况下被引导离开内燃机108。在所示实施例中，内燃机108设置在车辆前部的区域中。用于废气流104的引导装置102在车辆100中从内燃机108一直延伸到车辆100的尾部。在那里，所述废气流104被引入到外部。在另一些实施例中，内燃机108和用于废气流104的引导装置102能够以另外的方式设置。因此，内燃机例如可设置在车辆的中间或者设置在车辆尾部的区域中。用于所述废气流的引导装置102例如可将废气流104朝车辆尾部的方向或者朝向车辆侧面引导。废气测量装置300设置在用于所述废气流104的引导装置102上。废气测量装置300的一部分设置在用于废气流104的引导装置102的内部，并且在这种情况中直接暴露在所述废气流104中。废气测量装置300的另一部分设置在用于所述废气流104的引导装置102的外部。废气测量测量300可以具有废气引导元件，所述废气引导元件在下面的图2中有描述。

图2示出了根据本发明的实施例所述的废气引导元件200的简图。所述废气引导元件200具有细长的形状。因此废气引导元件200沿第一纵轴线202具有比沿横向轴线204更大的延伸度。沿纵轴线202的一个部分段设计为测量区域206。在废气引导元件200的一个端部上设置所述测量区域206。在废气引导元件200的与测量区域206对置的端部上形成接收区域208。在接收区域208的内部设置气体接收元件210。废气引导元件200在它的纵向方向上、也就是沿着纵轴线202是气体可贯穿的。因此在一种实施例中，所述废气引导元件200可以管形地设计。将测量区域206设计成：一种传感器、特别是气体传感器可以设置在此。按照一种实施例，可将传感器设置在所述废气引导元件的内部或者外部。在一种实施例中，可将传感器的一部分设置在废气引导元件200的内部，将该传感器的另一部分设置在该废气引导元件200的外部。

图3示出了按照本发明的一种实施例所述的废气测量装置300的简图。该废气测量装置300设置在所述废气流104的引导装置102上。将引导装置102设计成：所述废气流104可流过它。废气测量装置300如此地设置在引导装置102上，即废气测量装置300的一个部分段设置在引导装置102的内部，并且该废气测量装置的一个部分段设置在引导装置102的外部。所述废气测量装置300具有废气传感器壳体，废气引导元件200设置在所述废气传感器壳体中。废气测量装置300的至少部分段—所述部分段设置在引导装置102的内部—设计成耐高温的。所述废气引导元件200可以是一种已在图2中说明了的废气引导元件200。传感器302设置在废气引导元件200的测量区域206中。废气的一部分304—所述部分在所述废气流104中流过用于所述废气流104的引导装置102—通过设置在接收区域208中的气体接收元件210被引入到废气引导元件200中。从所述废气流104中引出的废气部分304流过废气引导元件200，为的是引导它在测量区域206中从传感器302旁边流过，并且作为废气306从废气引导元件200中流出。这样，所述废气的一部分304可通过废气引导元件200从所述废气流104的引导装置102的内部导引到废气流104的引导装置102的外部。

在废气测量装置300的一种实施例中，传感器302和气体接收元件210通过至少一个将废气引导元件200一体化的电导线而彼此连接起来。当在实施例中气体接收元件210与至少一条电导线连接起来时，则在使用信号的情况下—所述信号通过所述至少一条电导线传输—可改变所述气体接收元件210的至少一种特性。在不同的实施例中，可将气体接收元件210设计为颗粒过滤器、扩散阻挡器或者泵元件。此外，在一种实施例中所述气体接收元件210可以作为催化器起作用地将被引入到废气引导元件200中的那部分废气304实现催化式的转化。

本发明的一个方面是：可贯穿气体的元件的组合，也就是说，所述废气引导元件200可在废气或者所述废气流104中与化学传感器302组合，其中，在废气腔室中、也就是在所述废气流104的引导装置102的内部实现了气体流入304到废气引导元件200中的这种过程，并且所述化学传感器在空间上是分开的，例如位于废气引导元件200的出口306处，这样，这个化学传感器只检测通过所述废气引导元件200所达到的气体成分。

换句话说，所述废气引导元件200使得微型化的传感器元件或者传感器302能够在空间上并且因此在热学方面与用于对于待检测的废气分量进行预处理的功能元件、也就是气体接收元件210分开。通过这一措施，例如使得氧化催化剂或者吸气材料能够在温度例如为700℃的废气中运行，并且能够利用微型化的传感器302以例如250℃的运行温度来检测由这种催化剂所转化的废气分量。同样可以在废气侧使用在空间上大面积的过滤器。此外，下述做法也是有利的，即所述微型化的化学传感器302不再直接暴露在所述废气流104中，而是可以位于所述废气流104的外部，并且只是还有一定的、较少危害的废气成分能到达这个传感器302，这样就提高了它们的使用寿命。例如可在废气腔室和传感器位置之间产生足够高的压差，这样，气体可以快速流过，并且因此可产生高的传感器动力（Sensordynamik）。

图3示出了原理上的结构。在所述废气流104的引导装置102中—也叫作废气管—存在一种废气传感器壳体300。在所述废气传感器壳体中存在废气引导元件200，作为气体可通过的支承元件。在废气传感器壳体300内部的废气引导元件200的结构是如此实现的，即未经处理的废气只能达到废气传感器壳体300的上部区域中，并且因此只能到达气体接收元件210—所述气体接收元件也可叫作废气引导元件200的功能元件—但是不能到达废气引导元件200的下部区域，在所述下部区域中存在化学传感器302。只有通过气体接收元件210预处理的废气才能在气体可通过的废气引导元件200的内部到达化学传感器元件302。要么是重新回流到所述废气流104中，要么是代替地流入到外部大气中而能够完成所述气流306的流出。

在不同的实施例中，或者是采用主动方式—例如通过泵元件，或者采用被动的方式—例如通过合适的废气传感器壳体300，通过所产生的压差达到以待测量的气体流过所述废气引导元件200这一目的。可采用陶瓷的厚层工艺来制造所述气体可通过的废气引导元件200，（例如以ZrO₂-、Al₂O₃-或者LTCC工艺为基础），也可将薄层工艺（例如硅基）和MEMS处理技术用于所述制造。在这两种工艺中，可以集成有通道、穴蚀、腔室、细孔区域和印制电路以及加热元件。此外，也可以使用半成品（例如金属的或者陶瓷材料），例如以陶瓷细管的形式。

下面对一些没有详细示出的实施例的变型方案加以描述。在一种实施例中，可以通过集成到废气引导元件200中的印制导线来实现化学的传感器元件302和气体接收元件210的接触（Ankontakttierung）。在一些有利的扩展方案中，所述气体接收元件210可直接与传感器元件302连接，并且因此例如通过传感器元件302来控制、调节或者测量在所述废气引导元件200上的气体接收元件210的功能，或者继续处理信号。

为了例如通过可插入式的连接来实现在这个区域上的电接触，类似于例如对于在市场上存在的λ探头所进行的众所周知的接触那样，可能并且有利的是，将气体可通过的废气引导元件200延长到气体出口和传感器元件302下面。

所述气体接收元件210特别可完成下述功能中的一个或者多个功能：

·颗粒过滤，

·扩散阻挡器（Diffusionsbarriere），例如借助于多细孔的介质或者小型开口，

·催化地转换废气成分，例如借助于（必要时加热的）催化器，

·借助于合适的吸气物质捕获一定的废气成分，通过温度输入/输出来改变废气分量的温度，泵元件，主动或者被动地。

化学传感器元件302例如可以是以材料Si、SiC、GaN为基础的且以场效应为基础的气体传感器，例如也可以使用微型化的电化学的传感器元件。

因为本发明的一个方面是使得比在废气中可能出现的明显更低的传感器温度成为可能，所以原则上讲，所有的化学的测量原理都是合适的，所述化学的测量原理通常只是在温度明显低于最大废气温度（直到可能超过1000℃）时都可使用。在一定的使用情况下（例如固定的设备）也可以设想这样的传感器，即它们需要室温，且在车辆的废气管路中看上去按照安装地点可实现从100℃起的传感器温度。在一些有利的扩展方案中，使用按照半导体加工工艺制造的传感器元件也使得集成例如用于在处理传感器信号时所需要的微电子设备成为可能。当电子装置与传感器302组合时，或者电子装置被集成到传感器中时，可以直接地在传感器芯片上、也就是在具有集成的电子电路的传感器302上，实现例如下述功能：

·信号放大，

·信号过滤，

·模拟-/数字转换，

·多路技术，并且因此操控多个不同的传感器，

·λ瞬变特性曲线的线性化，

·传感器特性曲线的偏移－校准（Offset-Kalibrierung），

·与传感器总线系统的通信。

由于传感器芯片所需空间很小，并且也按照气体接收元件210的变型设计方案，与传统的陶瓷的废气传感器相比较，可以大大地降低加热功率要求。这又使得通过所述总线系统能够完成所述传感器的全部能量供给（=传感器元件+微电子装置+加热器）。

因此，图3示出了作为支承元件的、气体可通过的废气引导元件200的示意简图，它具有在气体进口处的作为功能元件的气体接收元件210以及在气体出口处且微型化的化学传感器元件302。

正如在图1和图3中所示出的那样，所介绍的这些实施例可与不同的气体传感器—如例如λ探头、NO_x-、HC-、颗粒-、NH₃-传感器进行组合，用于在内燃机、车辆和固定设备（例如木柴炉等）中使用。

图4示出了根据本发明的一种实施例所述的、用来制造一种用于车辆的废气引导元件的方法400的流程简图，所述废气引导元件用于将至少一部分废气引导到传感器中。该方法400包括准备步骤410和设置步骤420。下面为了进行说明还将追溯在图3中所使用的附图标记，因为在此示出的是用于这种类型的废气引导元件200的实施例。在准备步骤410中提供气体接收元件210和废气引导元件200。废气引导元件在纵轴线202的方向上具有比在横向轴线204的方向上更大的延伸度。在这种情况中，废气引导元件200在纵轴线202的方向上是气体可通过的，并且将沿纵轴线202方向的一个端部设计为接收区域208，将对置的端部设计为测量区域206，其中，特别是可将传感器302设置在测量区域206中。在设置步骤420中，将气体接收元件210设置在废气引导元件200的接收区域208中。

所描述的和在图中示出的这些实施例只是示范性地选择的。不同的实施例可完全地进行组合，或者涉及单个的特征地进行组合。也可通过另一实施例的特征对某个实施例进行补充。

此外，根据本发明的这些方法步骤可以重复，并且能够以不同于所说明的顺序予以实施。

假若某个实施例在第一特征和第二特征之间包含有“和/或”-逻辑关系，其意思是，所述实施例按照一种实施形式既具有第一特征，也具有第二特征，并且根据另一实施形式要么仅具有第一特征，要么仅具有第二特征。