[发明专利]排气传感器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测内燃机的排气系统中的至少一个排气成分的浓度的排气传感器装置以及一种内燃机的排气系统。

背景技术

用在现代的或者说将来的排气后处理系统中的排气传感器必须能够以高的准确度来证实几个ppm的有害气体，如氮氧化物。目前的基于陶瓷的传感器方案使用离子的泵电流作为传感器信号，所述离子的泵电流根据排气中的氮氧化物浓度发生变化。原则上这种传感器元件仅提供特别小的传感器信号（在nA范围中的电流），因此一传感器附近的在一附加的传感器控制单元中的信号放大或者说信号处理器是绝对必要的。因此，所测量到的传感器信号可以在相应的整理之后被传递给中央的马达控制器。因此该附加的电子单元是与高的研发成本或制造成本相关联的。

发明内容

本发明的主题是一种用于检测内燃机的排气系统中的至少一个排气成分的浓度的排气传感器装置，其包括至少一个具有自身的信号放大的排气传感器，其中，至少一个排气传感器检测至少一个排气成分的浓度。

所述排气传感器可以例如检测排气的分析气体种类（Analytgasspezies）且因此可以根据周围环境中的分析气体的分压来检测在一传感器表面上的电离的、也就是说带电荷的气体种类的浓度。因此，分析气体的存在可导致一电势变化，该电势变化可由一排气传感器检测到。具有自身的信号放大指的是，由于由分析气体所生成的在门电极上的电荷所出现的电势变化又可直接被转换成一通道电流变化，其中，可同时进行一信号放大。因此，不进行例如在陶瓷的排气传感器的情况下那样的直接的电流测量。因此，借助于自身的信号放大可以将传感器电流在微安至毫安的范围中输出，并且将通过电流变化引起的传感器信号在子毫安或微安的范围中输出。由此可以将电流或者说电流变化直接读入到所述马达控制器中。因此，在使用上述的排气传感器的情况下可以舍弃例如通过一传感器控制单元的额外的放大。此外，由于缺少了传感器控制单元，可以减小排气系统受到干扰的可能性。

有利地，所述至少一个排气传感器是一ChemFET传感器。ChemFET传感器的概念表示一化学敏感的场效应晶体管（简称ChemFET）。该ChemFET传感器是一场效应晶体管的一种特殊形式，其用作针对化学品和物质的化学性质的传感器。所述ChemFET传感器利用基于场效应晶体管的化学活性的半导体气体传感器，其中，气体分子与一催化活性的栅极发生相互作用。在此情况下，该吸附引起了有效地施加的栅极电势的变化，该变化又可以在源极-漏极电流（传感器信号）的变化中测量。在此情况下，自身地通过场效应来放大所述电势变化，从而根据所述场效应晶体管的结构形式的不同，根据待吸附的气体而产生在微安至毫安范围中的电流变化。这样，所述ChemFET传感器可以检测在特别小的浓度（一位数的ppm范围）中的气体成分。

所述ChemFET传感器可以基于一场效应晶体管，其栅极选择性地与待检测的气体发生相互作用。所述栅极的催化活性可以例如引起分析气体种类的离解且因此可以根据周围环境中的分析气体的分压来改变在一传感器表面上的电离的、也就是说带电荷的气体种类的浓度。因此，一分析气体的存在会导致在所述场效应晶体管的栅上的电势变化。该电势变化又会直接转化成一通道电流变化，其中，可同时进行一信号放大。在此情况下，放大系数可以与所使用的场效应晶体管的传输特征曲线相关。借助于自身的信号放大可以将传感器电流在微安至毫安的范围中输出，并且将通过电流变化引起的传感器信号在子毫安或微安的范围中输出。由此可以将电流或者说电流变化直接读入到所述马达控制器中。因此，在使用一ChemFET传感器的情况下可以舍弃例如通过一传感器控制单元的额外的信号放大。此外，由于缺少了传感器控制单元，可以减小排气系统受到干扰的可能性。

在所述排气传感器装置的一种有利的实施方式中，所述至少一个排气传感器集成在至少一个传感器芯片上。由此可以减小所述排气传感器装置的尺寸并且简化，由此能够节省所述排气系统中的结构空间。通过使用具有较大带隙的坚固的半导体材料，例如从一包括碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）的组中选出，可以实现所述排气传感器即使在更高的温度下也能使用且因此能够用于在腐蚀性的周围环境、如燃烧后的排气中测量热的气体。