[发明专利]测量气体浓度的传感器

说明书

本发明涉及测量气体混合物中气体浓度的传感器，该传感器包括一个一端闭合的小管，在其外面沿小管安排有一个电传感器触头，小管的末端即与闭合管相对的另一端被置于一个壳内，壳和小管之间、围绕小管的间隙以气密方式密封。

这种气体传感器可从美国专利US-A-3960693中了解。包括一起催化作用层的小管在其指向待测气体的一端闭合其另一端打开。这种传感器在其开口端处较厚，且固定于一个壳内。该壳被拧紧到装有待测气体的容器的腔壁上的一个开口中，例如内燃机内部。小管的内部和周围大气即参考气体连通。在壳内，壳与小管之间的间隙是封闭的，由此使得两个不同气体彼此隔开。此密封件在金属环制成，与那些火花塞中所常用的相似。这类气体测量通常在高温下进行(大约150℃以上，在内燃机情况下大约500℃以上)。由于需耐高温的缘故而用金属制成的壳相应地与小管即传感器触头电连接在一起。这意味着壳体被集成在测量电路中；传感器是所谓的单一传感器。密封件位于传感器阵列区域内，由于该区域在测量燃气时被显著加热，因此壳和小管的膨胀系数不同会导致泄漏，从而导致测量不准确，因为密封件不能可靠地对不同的膨胀率进行补偿。传感器触头的电连接也保持在该高温区域内，因此也只有在可观的代价下才能实现其良好的可靠性，因为接触材料在高温下工作易于氧化。小管通常由固态电解质制成，密封件和小管的高温接触就会产生寄生电压，寄生电压的幅度随时间变化很大，这是因为无法对缓慢氧化或密封性减弱进行控制。这将导致传感器特性偏移的严重恶化。类似的传感器也可见于欧洲专利EP-A-0520528。

一个略有不同的已知结构是美国专利US-A-3399233中的固体电解质原电池。在这种情况下，测量电路也集成到金属壳体中。这时就无需一个气体密封件，因为测量是在两个液体中进行的。

另一种不同类型的气体传感器可从欧洲专利EP-A-O 398 579中了解。在此情况下在圆柱形金属壳内放置了一个平面传感器元件，在传感器和壳之间装入了陶瓷粉用于固定和密封。由于传感器元件和壳之间几何形状的差异和材料的膨胀系数不同，在此情况下加热时同样也会有泄漏问题。尤其与待测气体腔有关的密封性就是个问题。此外，在工作过程中产生的振动也容易使传感器元件损坏。

从上述现有的技术出发，本发明的目的是提供一种普通型的传感器，它能保证即使在高温工作时待测气体和参考气体之间密封仍然可靠，用这种传感器可以同时实现与壳电绝缘的多个传感器接触件，这样就不会产生损害偏移特性的寄生电压。

根据本发明，可以获得一个与权利要求1前序部分相一致的传感器，此结果是如此实现的。与闭合端相对的且代表小管冷端或冷区域的那端，在壳和小管的之间及周围空间实现气密封闭；在小管的外面至少提供有一个与壳电绝缘的传感器电触头；并且该至少一个传感器触头终止于与密封端相对的小管的闭合端，并且该触头与一个电导体相连接。小管的冷端或冷区域是指位于装有待测气体的腔外面并且距有待测气体腔足够远的区域，以使得它至多仅略略升温，从而使优选使用的电绝缘有弹性的材料做成的密封件不会被损害并能保留其弹性。实际所需的距离可通过数次测试和/或测量来确定。传感器触头与向前的电线的连接同样在这个冷区域中；因此就避免了接头因高温而发生的氧化。在本传感器中，所用材料的不同膨胀系数实际上不会导致什么结果，特别是因为在弹性密封情况下没有热应力产生，因此可以得到很好的密封效果。此外，位于热区域的常规金属密封件和固体电解质(小管)之间的接触区域产生的寄生及电化学电压也可通过将电绝缘密封件置于冷区域中而得以避免。此外还可以发现，机动车发动机或其排气系统工作时所产生的振动不会被传递到传感器上，因此使得传感器抗干扰能力增强。通常，电线可熔焊或软焊到传感器触头上和/或利用弹性圈把电线压到传感器触头上。用这种方式易于实现可靠的接触结构。

为方便起见，可以在小管的外表面上提供多个传感器触头，其中一或多个传感器触头可用作加热触头。这避免了在已知设备中使用压入小管中的单独加热元件。由此提高了加热器的效率和反应速度。

出于便利，至少在小管内部提供一个电触头，在本发明的优选实施方案中小管具有圆柱形结构，因此易于制造。此外还可方便地在小管上，壳和各传感器触头之间制备一个电绝缘层。此外还可以让小管外面的至少一部分包括至少和一个传感器触头电连接的固体电解质材料。整个小管用固体电解质材料制成也是可以的。同样可以用电阻率与气体密度有关的材料制成小管外面的至少一部分。将冷却肋置于壳的外表面上是为了方便有效地冷却冷区域。本发明将参考附图详细说明

附图中：