DE10361033A1

DE10361033A1 - Gaskonzentrationsmessgerät

Info

Publication number: DE10361033A1
Application number: DE10361033A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Kariya Hatada; Noboru Kariya Yamamoto; Hiroyuki Kariya Sakai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US20040134782A1; DE10361033B4; JP2004219403A; JP3922239B2; US7416650B2

Abstract

Bei einem Gaskonzentrationsmessgerät ist ein Messsubstrat vorgesehen, in dem ein Leiterbahnmusterbereich ausgebildet ist. Dieser Leiterbahnmusterbereich umfasst ein mit einem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und eine Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signalabgabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger der Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potenzialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potenzial des Signaleingabemusters sowie ein Schutz- oder Abschirmmuster mit einem im Wesentlichen konstanten Potenzial und einer Potenzialdifferenz von weniger als 0,5 V in Bezug auf das Potenzial des Signaleingabemusters, wobei dieses Schutz- oder Abschirmmuster auf zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotenzialmuster liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Messung der Konzentration eines in einem Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils.
In jüngerer Zeit werden Gassensoren zunehmend zur Erzielung einer geeigneten Regelung der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese Gassensoren sind zur Messung der Konzentration eines spezifizierten Gasbestandteils, wie Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC), Sauerstoff (O₂) oder dergleichen ausgestaltet, die in den Abgasen der Brennkraftmaschinen enthalten sind.
Hierbei hat ein Gassensor breite Anwendung gefunden, der zur Erzeugung eines Sensorstroms in Abhängigkeit von der Konzentration des spezifizierten Gasbestandteils ausgestaltet ist.
Ein Beispiel für ein Gaskonzentrationsmessgerät mit einem solchen Gassensor, das zur Messung des Betrags des Sensorstroms zur Messung der Konzentration eines in dem Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen spezifischen Gasbestandteils ausgestaltet ist, ist z.B. aus der US-Patentschrift 6 547 955 (der japanischen Patentschrift 2000-171 435) bekannt.
Bei dieser Art von bekannten Gaskonzentrationsmessgeräten mit einem Gassensor, der zur Abgabe eines Sensorstroms in Abhängigkeit von der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils ausgestaltet ist, ist der von dem Gassensor abgegebene Sensorstrom jedoch derart schwach, dass er leicht von elektrischen Störungen oder dergleichen beeinflusst wird.
So kann z.B. von einem die Konzentration von NOx als spezifiziertem Gasbestandteil messenden Gassensor der Sensorstrom in Form eines schwachen Stroms von nur einigen Nanoampere (nA) abgegeben werden, was eine hohe Messgenauigkeit in der Größenordnung von 1 Nanoampere (nA) erfordert.
Weiterhin kann als Material für Schaltungssubstrate, auf denen elektrische Schaltungsanordnungen ausgebildet werden, ein Isoliermaterial wie Glas-Epoxydharz Verwendung finden. Bei einem Schaltungssubstrat aus einem Isoliermaterial kann wiederum ein schwacher Leckstrom zwischen darauf ausgebildeten Kupfermustern bzw. Kupferleiterbahnen fließen, die elektrische Bauelemente miteinander verbinden. Der Oberflächenwiderstand des Schaltungssubstrats verringert sich insbesondere unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie z.B. hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit oder dergleichen, was zu einem übermäßigen Anstieg des Leckstroms führt.
Wenn z.B. ein aus Glas-Epoxydharz als Isoliermaterial bestehendes Schaltungssubstrat hohen Temperaturen und einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, kann der Substratwiderstand zwischen Kupfermustern oder Kupferleiterbahnen, die in Abständen von ungefähr 0,5 mm angeordnet sind, auf bis zu 10¹⁰ Ohm (Ω) abfallen. In diesem Falle können Leckströme in der Größenordnung von ungefähr 1 nA (Nanoampere) auf Grund einer zwischen benachbarten Kupferleiterbahnen bestehenden Potentialdifferenz von nur wenigen Volt auftreten.
Bei dem bekannten Gaskonzentrationsmessgerät führt somit der in dem zur Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms dienenden Schaltungssubstrat auftretende Leckstrom zu Schwankungen des Sensorstroms, sodass durch den Leckstrom eine ausreichende Verbesserung der Messgenauigkeit des bekannten Gaskonzentrationsmessgeräts verhindert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gaskonzentrationsmessgerät mit einem Gassensor anzugeben, bei dem die Messung eines von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät einen Gassensor, der zur Messung der Konzentration eines in einem Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils und Abgabe eines der gemessenen Konzentration des spezifischen Gasbestandteils entsprechenden Sensorstroms ausgestaltet ist, und ein Messsubstrat, auf dem eine elektrische Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die mit dem Gassensor elektrisch verbunden ist und eine zur Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms ausgestaltete Signalverarbeitungsschaltung aufweist, wobei die elektrische Schaltungsanordnung einen mit dem Gassensor elektrisch verbundenen Verbindungsanschluss, der zur Zuführung des Sensorstroms von dem Gassensor ausgestaltet ist und eine Eingangsimpedanz von 500 kΩ oder mehr aufweist, einen in dem Messsubstrat ausgebildeten Leiterbahnmusterbereich und ein in dem Leiterbahnmusterbereich angeordnetes elektrisches Bauteil aufweist und der Leiterbahnmusterbereich ein mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signaleingabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger als die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potentialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters und ein Schutzmuster mit einem im wesentlichen konstanten Potential und einer Potentialdifferenz von weniger als 0,5 V in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist, wobei das Schutzmuster in zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotentialmuster liegt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät einen Gassensor, der zur Messung der Konzentration eines in einem Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils und Abgabe eines der gemessenen Konzentration des spezifischen Gasbestandteils entsprechenden Sensorstroms ausgestaltet ist, und ein Messsubstrat, auf dem eine elektrische Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die mit dem Gassensor elektrisch verbunden ist und eine zur Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms ausgestaltete Signalverarbeitungsschaltung aufweist, wobei die elektrische Schaltungsanordnung einen mit dem Gassensor elektrisch verbundenen Verbindungsanschluss, der zur Zuführung des Sensorstroms von dem Gassensor ausgestaltet ist und eine Eingangsimpedanz von 500 kΩ oder mehr aufweist, einen in dem Messsubstrat ausgebildeten Leiterbahnmusterbereich und ein in dem Leiterbahnmusterbereich angeordnetes elektrisches Bauteil aufweist und der Leiterbahnmusterbereich ein mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signaleingabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger als die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potentialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters und ein Schutzmuster mit einem im wesentlichen konstanten, im Bereich von 80% bis 120% des Potentials des Signaleingabemusters liegenden Potential aufweist, wobei das Schutzmuster in zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotentialmuster liegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht des Gesamtaufbaus eines in 1 gezeigten Gassensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Querschnittansicht des inneren Aufbaus eines in 2 gezeigten Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des laminierten Aufbaus des in 3 gezeigten Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 eine perspektivische Darstellung eines in 1 gezeigten Messsubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
6 Leiterbahnmuster, die auf dem in 5 gezeigten Messsubstrat gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel angeordnet sind,
7 eine vergrößerte Ansicht der Peripherie eines in 6 gezeigten integrierten Schaltkreises gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
8 ein Schaltbild eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels,
9 ein Schaltbild eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels,
10 eine perspektivische Darstellung eines Messsubstrats eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus des Messsubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
12 Leiterbahnen, die auf dem in 11 dargestellten Messsubstrat gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel angeordnet sind.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds den Gesamtaufbau eines Gaskonzentrationsmessgeräts 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Gaskonzentrationsmessgerät 1 umfasst einen Gassensor 20 mit einem Gassensorelement 8, der zur Messung der Konzentration eines in einem Messgas enthaltenen spezifizierten Gasbestandteils, wie Stickoxiden (NOx), Kohlenstoff (CO), Kohlenwasserstoff (HC), Sauerstoff (O₂) oder dergleichen, ausgestaltet ist, sowie ein Messsubstrat 10, auf dem eine Schaltungseinheit 107 und eine elektrische Schaltungsanordnung 108 ausgebildet sind.
Die elektrische Schaltungsanordnung 108 umfasst eine Signalverarbeitungsschaltung 100 zur Messung eines von dem Gassensor 20 abgegebenen Sensorstroms.
Wie in den 1 und 6 veranschaulicht ist, umfasst die elektrische Schaltungsanordnung 108 einen auf der Oberfläche des Messsubstrats 10 angeordneten integrierten Schaltkreis 105, einen Verbindungsanschluss 181 mit einer Eingangsimpedanz von 500 Kiloohm (kΩ) oder mehr, eine Vielzahl von auf der Oberfläche des Messsubstrats 10 angebrachten und nachstehend noch näher beschriebenen elektrischen Bauelementen, sowie einen auf der Oberfläche ausgebildeten Leiterbahnmusterbereich 109 zur elektrischen Verbindung der elektrischen Bauelemente.
Der Leiterbahnmusterbereich 109 umfasst Leiterbahnmuster 109a, 109b, 109c, 109d und 109e.
Die Leiterbahnmuster 109a stellen Signaleingabemuster 110 dar, die Bestandteile der Signalverarbeitungsschaltung 100 und mit dem Verbindungsanschluss 181 elektrisch verbunden sind. Jedes der Signaleingabemuster 110 besitzt in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 eine Gleichstromimpedanz von etwa 2 kΩ oder weniger.
Die Leiterbahnmuster 109b stellen Differenzpotentialmuster 140 dar, die jeweils in Bezug auf die Signaleingabemuster 110 eine Potentialdifferenz von nicht weniger als etwa 2 Volt (V) aufweisen.
Das Leiterbahnmuster 109c stellt ein Schutz- oder Abschirmmuster 120 dar, das in seinen Bereichen ein im wesentlichen konstantes Potential aufweist, wobei dieses konstante Potential des Leiterbahnmusters 109c dahingehend eingestellt ist, dass es im wesentlichen innerhalb eines Bereiches von 80% oder mehr bis 120 oder weniger des Potentials eines jeden der Signaleingabemuster 110 liegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Potentialdifferenz zwischen dem Leiterbahnmuster 109c und jedem der Signaleingabemuster 110 auf einen annähernd unter 0,5 Volt (V) liegenden Wert eingestellt.
Das Leiterbahnmuster 109d stellt einen Teil eines Signalmessmusters 111 dar, das einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω oder weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats 10 bildet.
Das Schutz- oder Abschirmmuster 120 ist in einem zwischen den Signaleingabemustern 110 und den Differenzpotentialmustern 140 gelegenen Oberflächenbereich des Messsubstrats 10 angeordnet.
Die elektrische Schaltungsanordnung 108 umfasst außerdem als elektrische Bauelemente eine Stromversorgungsschaltung 150 sowie einen Verbindungsanschluss 182, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Schaltungseinheit 107 umfasst eine Pumpschaltung 130 mit einer Strom- oder Spannungsquelle 135, wie dies in 3 veranschaulicht ist.
Der in 2 dargestellte Gassensor 20 mit dem Gassensorelement 8 ist an einem (nicht dargestellten) Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angebracht und dient zur Regelung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine, Überwachung eines Katalysators zur Abgasreinigung oder dergleichen. Hierbei ist der Gassensor 20 zur Messung der Konzentration von NOx ausgestaltet, das bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ein Beispiel für den in dem über das Abgasrohr ausgestoßenen Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteil darstellt.
Der in 2 dargestellte Gassensor 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein zylindrisches Gehäuse 70 und das Gassensorelement 8, dessen Außenbereich von einem Isolierelement gehalten wird. Das Gassensorelement 8 ist in dem zylindrischen Gehäuse 70 angeordnet, wobei ein Endteil 8a des Gassensorelements 8, das sich durch einen Endbereich 70a des Gehäuses 70 hindurch nach außen erstreckt, in einer an diesem einen Endbereich befestigten zylindrischen Abgasschutzkappe 71 angeordnet ist.
Die Abgasschutzkappe 71 besitzt eine Doppelstruktur aus einer Innenverkleidung 711 und einer Außenverkleidung 712, bei der die Außenverkleidung 712 die Außenseite der Innenverkleidung 711 umgibt. Die Innenverkleidung 711 und die Außenverkleidung 712 bestehen jeweils z.B. aus rostfreiem Stahl.
Die Innenverkleidung 711 und die Außenverkleidung 712 besitzen im seitlichen und unteren Bereich jeweils Abgas-Einlassöffnungen 713, 714, über die das Abgas in einen inneren Hohlbereich der Abgasschutzkappe 71 eintreten kann.
Der Gassensor 20 ist außerdem in der in 2 dargestellten Weise am anderen Endbereich 70b des Gehäuses 70 mit einer Luftverkleidung 72 versehen. Die Luftverkleidung 72 ist an diesem anderen Endbereich 70b des Gehäuses 70 befestigt und umfasst eine zylindrische Hauptverkleidung 721 sowie eine zylindrische Teilverkleidung 722. Hierbei ist ein Endteil 721a der Hauptverkleidung 721 an dem anderen Endbereich 70b des Gehäuses 70 befestigt, wobei die Teilverkleidung 722 das andere Endteil 721b der Hauptverkleidung 721 umgibt.
Die Hauptverkleidung 721 ist an vorgegebenen Positionen mit seitlichen Lufteinlassöffnungen 723 versehen, während die Teilverkleidung 722 an vorgegebenen Positionen mit seitlichen Lufteinlassöffnungen 724 versehen ist. Hierbei sind die jeweiligen Positionen der Lufteinlassöffnungen 723 der Hauptverkleidung 721 gegenüberliegend zu den jeweiligen Positionen der Lufteinlassöffnungen 724 der Teilverkleidung 722 angeordnet, sodass Luft, die ein Referenzgas darstellt, in einen inneren Hohlbereich der Luftverkleidung 72 eintreten kann.
Gemäß 2 umfasst der Gassensor 20 außerdem ein wasserabweisendes Filter 725 zur Abdichtung des inneren Hohlbereichs der Luftverkleidung 72. Das wasserabweisende Filter 725 ist zwischen der Hauptverkleidung 721 und der Teilverkleidung 722 zur Abdeckung der Lufteinlassöffnungen 723 und 724 angeordnet. In dem anderen Endbereich der Luftverkleidung 72 ist ein Öffnungsabschnitt 72a ausgebildet, über den mit dem anderen Endteil 8b des Gassensorelements 8 verbundene Zuleitungen 73 aus der Luftverkleidung 72 herausgeführt werden können.
Wie in den 3 und 4 im einzelnen dargestellt ist, umfasst das Gassensorelement 8 ein erstes Festelektrolytelement 841 und ein zweites Festelektrolytelement 843, die jeweils plättchenförmig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind. Außerdem umfasst das Gassensorelement 8 ein zwischen dem ersten Festelektrolytelement 841 und dem zweiten Festelektrolytelement 843 angeordnetes Distanzstück 842.
Das Distanzstück 842 ist mit einer ersten Ausnehmung 811a und einer zweiten Ausnehmung 812a versehen und zwischen dem ersten Festelektrolytelement 841 und dem zweiten Festelektrolytelement 843 derart angeordnet, dass von dem ersten Festelektrolytelement 841 und dem zweiten Festelektrolytelement 843 sowie der ersten Ausnehmung 811a und der zweiten Ausnehmung 812a eine erste Kammer 811 und eine zweite Kammer 812 gebildet werden.
In die erste Kammer 811 und die zweite Kammer 812 kann dann das Messgas eingeleitet werden.
Das Gassensorelement 8 umfasst außerdem eine auf dem ersten Festelektrolytelement 841 angebrachte plättchenförmige poröse Schutzschicht 840, eine plättchenförmige Heizeinrichtung 815 sowie ein mit einer Ausnehmung 813a versehenes Distanzstück 844, das zwischen der plättchenförmigen Heizeinrichtung 815 und dem zweiten Festelektrolytelement 843 derart angeordnet ist, dass von der Heizeinrichtung 815, der Ausnehmung 813a und dem zweiten Festelektrolytelement 843 eine Referenzgaskammer 813 gebildet wird. Das Gassensorelement 8 ist in Form einer Schichtanordnung aufgebaut, bei der das Heizelement 815, das Distanzstück 844, das zweite Festelektrolytelement 843, das Distanzstück 842, das erste Festelektrolytelement 841 und die poröse Schutzschicht 840 in dieser Reihenfolge als Laminat angeordnet sind.
Die Distanzstücke 842 und 844 bestehen z.B. jeweils aus einem isolierenden Aluminiumoxid, während die poröse Schutzschicht 840 z.B. aus einem isolierenden Keramikwerkstoff besteht.
Das Gassensorelement 8 umfasst außerdem eine Sensorzelle 82, die von einem Teil des zweiten Festelektrolytelements 843 sowie einer ersten Sensorelektrode 821 und einer zweiten Sensorelektrode 822 gebildet wird, die jeweils an Oberflächen dieses Teils des zweiten Festelektrolytelements 843 angebracht sind.
Die erste Sensorelektrode 821 liegt der zweiten Kammer 812 gegenüber, während die zweite Sensorelektrode 822 der Referenzgaskammer 813 gegenüberliegt, in die Luft als Referenzgas eingeführt werden kann.
Die erste Sensorelektrode 821 ist mit dem Verbindungsanschluss 182 elektrisch verbunden. Der Verbindungsanschluss 182 ist an dem Messsubstrat 10 angeordnet und mit der Stromversorgungsschaltung 150 über eine Zuleitung bzw. Leiterbahn einer Verbindungsleitung verbunden. Die zweite Sensorelektrode 822 ist mit dem an dem Messsubstrat 10 angeordneten Verbindungsanschluss 181 elektrisch verbunden. Der Verbindungsanschluss 181 ist wiederum mit der Signalverarbeitungsschaltung 100 über eine Zuleitung bzw. Leiterbahn einer Verbindungsleitung verbunden.
Wie in 1 veranschaulicht, ist somit die erste Sensorelektrode 821 über den Verbindungsanschluss 182 mit der Stromversorgungsschaltung 150 elektrisch verbunden, während die zweite Sensorelektrode 822 über den Verbindungsanschluss 181 mit der Signalverarbeitungsschaltung 100 elektrisch verbunden ist.
Die Sensorzelle 82 ist dahingehend ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von einer an die erste Sensorelektrode 821 und die zweite Sensorelektrode 822 angelegten, vorgegebenen Spannung ein der Konzentration des in dem Messgas enthaltenen spezifischen bzw. spezifizierten Gasbestandteils entsprechender Sensorstrom abgegeben wird.
Das Gassensorelement 8 umfasst außerdem eine Pumpzelle 83, die von einem Teil des ersten Festelektrolytelements 841 sowie von einer ersten Pumpelektrode 831 und einer zweiten Pumpelektrode 832 gebildet wird, die jeweils auf Oberflächen dieses Teils des ersten Festelektrolytelements 841 angeordnet sind.
Die erste Pumpelektrode 831 und die zweite Pumpelektrode 832 sind mit der Pumpschaltung 130 (Strom- bzw. Spannungsquelle 135) elektrisch verbunden.
Wie 3 zu entnehmen ist, ist die erste Pumpelektrode 831 über die poröse Schutzschicht 840 dem Außenbereich des Gassensorelements 8 ausgesetzt, während die zweite Pumpelektrode 832 der ersten Kammer 811 gegenüberliegt.
Ein zwischen der ersten Pumpelektrode 831 und der zweiten Pumpelektrode 832 angeordneter Endbereich des ersten "'Festelektrolytelements 841 ist mit einem durch das Element hindurch verlaufenden ersten Diffusionswiderstandskanal 810, wie einem Nadelloch oder einer feinen Pore versehen.
Die erste Kammer 811 steht über diesen ersten Diffusionswiderstandskanal 810 mit dem Außenbereich des Gassensorelements 8 in Verbindung.
Ein zweiter Diffusionswiderstandskanal 820 in Form z.B. eines Nadellochs oder einer feinen Pore ist in dem zwischen der ersten Kammer 811 und der zweiten Kammer 812 befindlichen Distanzstück 842 ausgebildet, sodass eine Verbindung zwischen der ersten Kammer 811 und der zweiten Kammer 812 über diesen zweiten Diffusionswiderstandskanal 820 hergestellt werden kann.
Hierbei können auch der erste Diffusionswiderstandskanal 810 und der zweite Diffusionswiderstandskanal 820 jeweils z.B. aus einer porösen Schicht bestehen.
Die Pumpzelle 83 dient zum Pumpen von Sauerstoffionen in Abhängigkeit von der an die erste Pumpelektrode 831 und die zweite Pumpelektrode 832 angelegten Spannung.
Das Gassensorelement 8 umfasst außerdem eine Überwachungszelle 86, die von einem weiteren Bereich des zweiten Festelektrolytelements 843 sowie einer ersten Überwachungselektrode 861 und einer zweiten Überwachungselektrode 862 gebildet wird, die an Oberflächen dieses anderen Bereichs des zweiten Festelektrolytelements 843 angebracht sind.
Die erste Überwachungselektrode 861 und die zweite Überwachungselektrode 862 sind mit einer ein Voltmeter 165 aufweisenden Überwachungsschaltung 160 elektrisch verbunden, die von der elektrischen Schaltungsanordnung 108 auf dem Messsubstrat 10 gebildet wird.
Wie 3 zu entnehmen ist, liegt die erste Überwachungselektrode 861 der zweiten Kammer 812 gegenüber, während die zweite Überwachungselektrode 862 der Referenzgaskammer 813 gegenüberliegt.
Die Schaltungseinheit 107 umfasst außerdem einen Rückkopplungskreis 166, der eine elektrische Verbindung zwischen der Pumpschaltung 130 und der Überwachungsschaltung 160 herstellt.
Das erste Festelektrolytelement 841 und das zweite Festelektrolytelement 843 gemäß den 3 und 4 bestehen jeweils z.B. aus Sauerstoffionen leitendem Zirkondioxid. Die erste Pumpelektrode 831, die zweite Sensorelektrode 822 sowie die zweite Überwachungselektrode 862 bestehen jeweils aus einem Edelmetall wie Platin (Pt). Die zweite Pumpelektrode 832 und die erste Überwachungselektrode 861 bestehen jeweils aus einem Edelmetall wie Platin (Pt) – Gold (Au), das in Bezug auf Stickoxide (NOx) inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Die erste Sensorelektrode 821 besteht aus einem Edelmetall wie Rhodium (Rh) oder Pt-Ph (Phenyl), das in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist.
Im Rahmen dieser Beschreibung beinhaltet die Bezeichnung "Material wie ein Edelmetall, das in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist", dass es sich hierbei um ein Material handelt, das eine aufspaltende Wirkung bei NOx entfaltet und eine Aufspaltung von NOx in Sauerstoffionen und Wasserstoffionen herbeiführt, während die Bezeichnung "Material wie ein Edelmetall, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist" beinhaltet, dass dieses Material keine aufspaltende Wirkung entfaltet.
Wie in den 3 und 4 veranschaulicht ist, umfasst die Heizeinrichtung 815 isolierende Heizsubstrate 851 und 852 sowie ein zwischen den isolierenden Heizsubstraten 851 und 852 angeordnetes Heizelement 850, die in Form eines Laminats angeordnet sind. Das Heizelement 850 wird zur Wärmeerzeugung mit elektrischer Energie beaufschlagt, die aus dem Außenbereich des Heizelements 815 zugeführt wird.
Die Heizsubstrate 851 und 852 bestehen jeweils z.B. aus Aluminiumoxid, während das Heizelement 850 aus einem Edelmetall wie Platin besteht.
Nachstehend wird das Messsubstrat 10 zur Steuerung des Gassensorelements 8 des Gassensors 20 näher beschrieben.
Auf dem Messsubstrat 10 ist die elektrische Schaltungsanordnung 108 angebracht. Diese elektrische Schaltungsanordnung 108 umfasst die mit der Sensorzelle 82 elektrisch verbundene Schaltungsanordnung 150, die Signalverarbeitungsschaltung 100, einen Mikrocomputer 170 (der in 1 mit "MC" bezeichnet ist) und eine mit dem Mikrocomputer 170 elektrisch verbundene Ein-Ausgabeschaltung 180 (die in 1 mit "I/O" bezeichnet ist), wobei mit der Ein-Ausgabeschaltung 180 über einen Ausgangsanschluss OT eine Motorsteuereinheit ECU 9 elektrisch verbunden ist. Die Motorsteuereinheit ECU 9 ist außerhalb des Gaskonzentrationsmessgeräts 1 angeordnet und dient zur elektronischen Steuerung der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine.
Außerdem sind auf dem Messsubstrat 10 jeweils die Pumpschaltung 130, der Rückkopplungskreis 166 sowie mit dem Mikrocomputer 170 elektrisch verbundene (nicht dargestellte) periphere Elemente in Form der Schaltungseinheit 107 angeordnet.
Wie in 1 veranschaulicht ist, ist die Stromversorgungsschaltung 150 als Schaltungsanordnung zum Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle 82 (die in 1 in Form eines Ersatzschaltbilds dargestellt ist) des Gassensors 20 ausgestaltet. Die Signalverarbeitungsschaltung 100 stellt eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung des Sensorstroms in ein Spannungssignal dar.
Das in 5 ohne die zugehörigen Leiterbahnen und die elektrischen Bauelemente dargestellte Messsubstrat 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Glas-Epoxidsubstrat mit einer Einzelschichtenstruktur, die aus einer einzigen Isolierschicht 11 und einer leitfähigen Oberflächenschicht 12 als einzige leitfähige Schicht besteht, die auf eine Oberfläche der einzigen Isolierschicht 11 aufgebracht ist.
Der Leiterbahnmusterbereich 109 (109a bis 109c) ist in der leitfähigen Oberflächenschicht 12 ausgebildet, wobei die elektrischen Bauelemente und Bauteile darauf angeordnet sind, sodass die Schaltungseinheit 107 und die elektrische Schaltungsanordnung 108 mit der Stromversorgungsschaltung 150, der Signalverarbeitungsschaltung 100 usw. in bzw. auf der leitfähigen Oberflächenschicht 12 ausgebildet sind.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst die Signalverarbeitungsschaltung 100 drei Operationsverstärker 101 bis 103, einen Widerstand 112 als Nebenschlusswiderstand usw. Die Signalverarbeitungsschaltung 100 ist zur Eingabe des von der zweiten Sensorelektrode 822 in das Messsubstrat 10 fließenden Sensorstroms und Umsetzung des zugeführten Sensorstroms in ein Spannungssignal ausgestaltet.
Gemäß 1 besitzt der Operationsverstärker 101 einen Ausgang 101a, einen nichtinvertierenden Eingang 101b sowie einen invertierenden Eingang 101c. Der Operationsverstärker 101 besitzt einen Verstärkungsfaktor von annähernd 1, sodass er als Spannungssignal-Messpufferverstärker wirkt, der über seinen Ausgang 101a ein Potential abgibt, das dem Potential am Verbindungsanschluss 181 entspricht.
Der Operationsverstärker 102 ist dahingehend ausgestaltet, dass das an seinem nichtinvertierenden Eingang 102a (+) auftretende Potential im wesentlichen Koinzidenz mit dem Potential am Verbindungsanschluss 181 annimmt.
Der Operationsverstärker 103 weist einen mit dem Ausgang 101a des Operationsverstärkers 101 elektrisch verbundenen nichtinvertierenden Eingang 103a, einen mit dem Ausgang 102b des Operationsverstärkers 102 elektrisch verbundenen invertierenden Eingang 103b sowie einen Ausgang 103c auf.
Der Operationsverstärker 103 ist somit zur Verstärkung der Spannungsdifferenz zwischen der am Ausgang 101a des Operationsverstärkers 101 und der am Ausgang 102b des Operationsverstärkers 102 auftretenden Spannung ausgestaltet und führt diese Spannungsdifferenz über seinen Ausgang 103c dem Mikrocomputer 107 zu.
Der nichtinvertierende Eingang 101b (+) des Operationsverstärkers 101 ist über einen Widerstand R1 mit einer Gleichstromimpedanz von 2 kΩ oder weniger mit dem Verbindungsanschluss 181 elektrisch verbunden.
Wie in 1 veranschaulicht ist, ist der Ausgang 102b des Operationsverstärkers 102 über den einen hohen Widerstandswert von annähernd 1,5 MΩ aufweisenden Widerstand 112 mit seinem invertierenden Eingang 102c (-) elektrisch verbunden.
Der invertierende Eingang 102c des Operationsverstärkers 102 ist über einen Widerstand R2 mit einer Gleichstromimpedanz von 2 kΩ oder weniger mit dem Verbindungsanschluss 181 elektrisch verbunden.
Der nichtinvertierende Eingang 102a des Operationsverstärkers 102 ist über das Leiterbahnmuster 109e mit einer zwei Widerstände R3 und R4 aufweisenden Spannungsteilerschaltung 115 elektrisch verbunden, die eine Versorgungsspannung des Messsubstrats 10 durch die beiden Widerstände R3 und R4 zur Bildung einer Referenzspannung von 4,4 V teilt, sodass an dem nichtinvertierenden Eingang 102a eine Referenzspannung von 4,4 V anliegt.
Wie ferner in 1 veranschaulicht ist, umfasst die Stromversorgungsschaltung 150 eine zwei Widerstände R5 und R6 aufweisende Spannungsteilerschaltung 153, die eine Versorgungsspannung des Messsubstrats 10 durch die beiden Widerstände R5 und R6 teilt, sowie einen Operationsverstärker 155, der die von der Spannungsteilerschaltung 153 geteilte Spannung verstärkt und die verstärkte Spannung über den Verbindungsanschluss 182 der Sensorzelle 82 zuführt. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Spannung von 4,4 Volt (V) an die erste Sensorelektrode 821 der Sensorzelle 82 über den Verbindungsanschluss 182 angelegt.
Der Widerstand 112 erzeugt zwischen seinen beiden Endanschlüssen eine Potentialdifferenz in Abhängigkeit vom Sensorstrom der Sensorzelle 82. Der Operationsverstärker 102 ist dahingehend ausgestaltet, dass das an seinem nichtinvertierenden Eingang 102a auftretende Potential im wesentlichen Koinzidenz mit dem Potential des Verbindungsanschlusses 181 annimmt.
Das Potential des Verbindungsanschlusses 181 fällt somit am Widerstand 112 ab, sodass dem Ausgang 102b des Operationsverstärkers 102 die durch Subtraktion des Spannungsabfalls am Widerstand 112 vom Potential des Verbindungsanschlusses 181 erhaltene Spannung zugeführt wird.
Bei dem Messsubstrat 10 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wird hierbei das Potential des mit der zweiten Sensorelektrode 822 elektrisch verbundenen Verbindungsanschlusses 181 dahingehend gesteuert, dass es einen Wert von 4,0 V annimmt. Ferner liegt an dem mit der ersten Sensorelektrode 821 elektrisch verbundenen Verbindungsanschluss 182 eine Spannung von 4,4 V an.
Wie vorstehend beschrieben, liegt somit bei dem Gassensor 20 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel eine Potentialdifferenz von 0,4 V an der Sensorzelle 82 an.
Wie in 1 veranschaulicht ist, dient der Mikrocomputer 170 zur Umsetzung der über den Ausgang 103c des Operationsverstärkers 103 abgegebenen Analogspannung in digitale Spannungsdaten und zur Teilung der digitalen Spannungsdaten durch den Widerstandswert des Widerstands 112, wodurch der Wert des Sensorstroms erhalten wird.
Der Mikrocomputer 170 dient außerdem zur Zuführung eines Gaskonzentrationssignals über die Ein-Ausgabeschaltung 180 und den Ausgangsanschluss OT zu der Motorsteuereinheit ECU 9 für die elektronische Regelung der Brennkraftmaschine.
Bei der Signalverarbeitungsschaltung 100 ist auf dem Messsubstrat 10 gemäß 1 die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 181 auf einen nicht unter 500 kΩ liegenden Wert eingestellt.
Die Gleichstromimpedanz zwischen dem Verbindungsanschluss 181 und den jeweiligen Leiterbahnmustern 109a, die die Leitungswege von dem Verbindungsanschluss 181 über den Widerstand R1 zu dem Operationsverstärker 101 und über den Widerstand 112 und den Widerstand R2 zu dem Operationsverstärker 102 bilden, ist dagegen auf einen niedrigen Wert wie z.B. 2 kΩ oder weniger eingestellt.
Die Leiterbahnmuster 109a, die die Leitungswege von dem Verbindungsanschluss 181 zu dem nichtinvertierenden Eingang 101b des Operationsverstärkers 101, dem Widerstand 112 und dem invertierenden Eingang 102c des Operationsverstärkers 102 bilden, stellen entsprechend der Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 181 einen Abschnitt hoher Impedanz dar.
Demgegenüber besitzen die Operationsverstärker 101 und 102 Idealerweise jeweils eine unendlich große Gleichstromimpedanz, sodass eine hohe Gleichstromimpedanz zwischen dem Verbindungsanschluss 181 und den jeweiligen Leiterbahnmustern 109b vorliegt, die mit den Ausgängen 101a und 102b der Operationsverstärker 101 und 102 elektrisch verbunden sind.
Der Widerstandswert des Widerstands 112 ist auf 1,5 MΩ eingestellt, sodass die Gleichstromimpedanz zwischen dem Verbindungsanschluss 181 und den jeweiligen Leiterbahnen 109b, die mikrocomputerseitig mit dem Widerstand 112 elektrisch verbunden sind, auf im wesentlichen 1,5 MΩ eingestellt ist.
Bei der auf dem Messsubstrat 10 angeordneten Signalverarbeitungsschaltung 100 bilden daher die in den 1, 6 und 7 veranschaulichten Leiterbahnmuster 109a, die Leitungswege zu dem nichtinvertierenden Eingang 101b des Operationsverstärkers 101, dem Widerstand 112 und dem invertierenden Eingang 102c des Operationsverstärkers 102 darstellen, die Signaleingabemuster 110.
Weiterhin bilden die in den 1, 6 und 7 dargestellten Leiterbahnmuster 109b, die mit den Ausgängen 101a, 102b der Operationsverstärker 101, 102 sowie mikrocomputerseitig mit dem Widerstand 112 elektrisch verbunden sind, die Differenzpotentialmuster 140, die in Bezug auf die Signaleingabemuster 110 jeweils ein Differenzpotential aufweisen.
Das Schutz- oder Abschirmmuster 120 ist in Form des Leiterbahnmusters 109c in der in den 1, 6 und 7 veranschaulichten Weise derart angeordnet, dass es die Signaleingabemuster 110 umgibt, wobei das Schutz- oder Abschirmmuster 120 außerdem mit dem Leiterbahnmuster 109d elektrisch verbunden ist, das wiederum mit dem Ausgang 101a des Operationsverstärkers 101 elektrisch verbunden ist, der auf einem in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 im wesentlichen äquivalenten Potentialwert gehalten wird.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel sind in dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 keine elektrischen Bauelemente enthalten, sodass das Schutz- oder Abschirmmuster 120 auf dem Messsubstrat 10 lediglich aus einer Metallfolie besteht.
Hierbei können jedoch auch elektrische Bauelemente, wie Widerstände oder Überbrückungs- bzw. Verbindungsleitungen, in dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 enthalten sein. In diesem Fall ist es erforderlich, das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 auf annähernd plus oder minus 1 V zu begrenzen.
Wenn das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 auf annähernd plus oder minus 1 V begrenzt wird, kann davon ausgegangen werden, dass bei dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 im wesentlichen ein konstantes Potential aufrecht erhalten wird.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird zur Unterdrückung nachteiliger Einwirkungen der Differenzpotentialmuster 140 im Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 108 auf die Signaleingabemuster 110 das Schutz- oder Abschirmmuster 120 mehr als erforderlich verlängert, sodass das Schutz- oder Abschirmmuster 120 zwischen den Signaleingabemustern 110 und den Differenzpotentialmustern 140 angeordnet ist.
Durch das Schutz- oder Abschirmmuster 120 wird daher verhindert, dass Leckströme von den Differenzpotentialmustern 140 in die Signaleingabemuster 110 und/oder von den Signaleingabemustern 110 in die Differenzpotentialmuster 140 fließen.
Weiterhin bildet das Leiterbahnmuster 109d, das den Ausgang 101a des Operationsverstärkers 101 mit seinem invertierenden Eingang 101c elektrisch verbindet, einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung 100 und des Signalmessmusters 111, das den Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω und weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats 10 bildet.
Das Signalmessmuster 111 ist mit dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 elektrisch verbunden.
6 zeigt die Peripherie der Signalverarbeitungsschaltung 100 in der auf dem Messsubstrat 10 angeordneten elektrischen Schaltungsanordnung 108. Außerdem zeigt 6 die Anordnung der Leiterbahnmuster 109a bis 109c auf dem Messsubstrat 10 vor der Anbringung der elektrischen Bauelemente. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Peripherie des integrierten Schaltkreises 105 gemäß 6.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist der integrierte Schaltkreis 105, der eine interne Schaltungsanordnung mit den Operationsverstärkern 101 bis 103 und dem Widerstand 112 als Nebenschlusswiderstand enthält, auf der Oberfläche des Messsubstrats 10 angebracht.
Wie in 6 veranschaulicht ist, umfassen die Differenzpotentialmuster 140 jeweils freiliegende Abschnitte 184, auf denen keine Isolationsbeschichtung ausgebildet ist, sowie beschichtete Abschnitte 186, die durch Aufbringen einer Isolationsbeschichtung 188 z.B. in Form von Grünschichten auf die freiliegenden Abschnitte 184 ausgebildet sind. Die freiliegenden Abschnitte bilden z.B. Anschluss- oder Kontaktabschnitte 185b, die mit den elektrischen Bauelementen, Zuleitungen und dergleichen elektrisch verbunden werden können.
Das in den 6 und 7 dargestellte Schutz- oder Abschirmmuster 120 umfasst freiliegende Nachbarabschnitte 124, die in der Nähe der freiliegenden Abschnitte 184 angeordnet und als querschraffierte Bereiche dargestellt sind, sowie beschichtete Nachbarabschnitte 126, die in der Nähe der beschichteten Abschnitte 186 angeordnet und als punktschraffierte Bereiche dargestellt sind.
Der Beschichtungszustand des Schutz- oder Abschirmmusters 120 und der Beschichtungszustand des Differenzpotentialmusters 140 stimmen somit bei diesem ersten Ausführungsbeispiel auf dem Messsubstrat 10 im wesentlichen überein, sodass Leckströme nur zwischen den freiliegenden Abschnitten 124 des Schutz- oder Abschirmmusters 120 und den jeweiligen freiliegenden Abschnitten 184 des Differenzpotentialmusters 140 auftreten können.
Das Auftreten von Leckströmen zwischen den beschichteten Nachbarabschnitten 126 des Schutz- oder Abschirmmusters 120 und den jeweiligen beschichteten Abschnitten 186 des Differenzpotentialmusters 140 kann dagegen verhindert werden.
Im einzelnen umfassen hierbei die Anschluss- oder Kontaktabschnitte 185a des Signaleingabemusters 110 Kontaktabschnitte 185a1, während die Anschluss- oder Kontaktabschnitte 185b des Differenzpotentialmusters 140 Kontaktabschnitte 185b1 umfassen.
Wie in den 6 und 7 veranschaulicht ist, sind die Kontaktabschnitte 185a1 und 185b1 auf dem Messsubstrat 10 derart angeordnet, dass sie jeweils den Anschlüssen des integrierten Schaltkreises 105 entsprechen, sodass die Kontaktabschnitte 185a1 und 185b1 jeweils mit den Anschlüssen des integrierten Schaltkreises 105 elektrisch verbunden sind.
Entsprechend einem jeweiligen Abstand von z.B. 1,27 mm bei jedem Anschluss des integrierten Schaltkreises 105 beträgt der jeweilige Abstand zwischen den benachbarten Kontaktabschnitten 185a1 und 185b1 annähernd 0,6 mm.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist daher das Schutz- oder Abschirmmuster 120 auf dem Messsubstrat 10 in den Zwischenräumen zwischen den Kontaktabschnitten 185a1 der Signaleingabemuster 110 und den Kontaktabschnitten 185b1 der Differenzpotentialmuster 140 angeordnet, d.h., die Kontaktabschnitte 185b1 der Differenzpotentialmuster 140 bilden die freiliegenden Abschnitte 184, die nicht mit der Isolierschicht 188 versehen sind, sodass in der in den 6 und 7 veranschaulichten Weise die freiliegenden Nachbarabschnitte 124 des Schutz- oder Abschirmmusters 120 in der Nähe der freiliegenden Abschnitte 184 und zwischen den Kontaktabschnitten 185b1 und den Kontaktabschnitten 185a1 angeordnet sind.
Ferner ist die dem invertierenden Eingang 101c des Operationsverstärkers 101 entsprechende Elektrode des integrierten Schaltkreises 105 mit einem Kontaktabschnitt 185c des Schutz- oder Abschirmmusters 120 elektrisch verbunden.
Nachstehend wird der Messvorgang bei dem den Gassensor 20 und das Messsubstrat 10 aufweisenden Gaskonzentrationsmessgerät 1 näher beschrieben.
Zunächst wird näher auf den Vorgang der Messung des NOx-Gases eingegangen.
Das durch das Abgasrohr der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine strömende Abgas wird in der in 3 veranschaulichten Weise über die poröse Schutzschicht 840 und den ersten Diffusionswiderstandskanal 810 in die erste Kammer 811 geführt. Die eingeführte Menge an Abgas wird hierbei von dem Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 840 sowie dem Diffusionswiderstand des ersten Diffusionswiderstandskanals 810 bestimmt.
Durch die Wirkung der Pumpzelle 83 gemäß 3 entstehen Sauerstoffionen aus dem in dem in die erste Kammer 811 geführten Abgas enthaltenen Sauerstoff, sodass eine Bewegung von Sauerstoffionen zwischen der ersten Kammer 811 und dem Außenbereich des Gassensorelements 8 durch die Pumpzelle 83 herbeigeführt wird, d.h., in der ersten Kammer 811 findet ein Pumpvorgang von Sauerstoffionen statt.
Wie 3 zu entnehmen ist, wird die von der als Sauerstoffkonzentrationszelle dienenden Überwachungszelle 86 in der zweiten Kammer 812 erzeugte Quellenspannung (EMK) von dem Voltmeter 165 der auf dem Messsubstrat 10 angeordneten Überwachungsschaltung 160 gemessen.
Über den Rückkopplungskreis 166 des Messsubstrats 10 wird die von der Überwachungsschaltung 160 gemessene Quellenspannung (EMK) auf die Pumpschaltung 130 zur Regelung der Pumpzelle 83 rückgekoppelt, d.h., über den Rückkopplungskreis 166 wird die an die Pumpzelle 83 angelegte Spannung in Abhängigkeit von der durch die Überwachungszelle 86 erzeugten Quellenspannung (EMK) zur Regelung der von der Pumpzelle 83 gepumpten Sauerstoffmenge eingestellt.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel stellt die Rückkopplungsschaltung 161 gemäß 3 die an die Pumpzelle 83 angelegte Spannung in Abhängigkeit von der durch die Überwachungszelle 86 erzeugten Quellenspannung (EMK) derart ein, dass die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 812 nicht mehr als 1 ppm beträgt. Wenn bei dem Gassensorelement 8 die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 812 auf einem 1 ppm entsprechenden oder einem geringeren Wert gehalten wird, kann die Konzentration von NOx in dem in die zweite Kammer 812 geführten Abgas mit einem hohen Genauigkeitsgrad gemessen werden.
Wie in 3 veranschaulicht ist, wird die die der zweiten Kammer 812 gegenüberliegende erste Sensorelektrode 821 und die der Referenzgaskammer 813 gegenüberliegende zweite Sensorelektrode 822 aufweisende Sensorzelle 82 über die erste Sensorelektrode 821 und die zweite Sensorelektrode 822 mit einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt, sodass die Sensorzelle 82 das Abgas zur Aufspaltung des darin enthaltenen NOx reduziert. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt die Sensorzelle 82, die über ihre erste Sensorelektrode 821 und ihre zweite Sensorelektrode 822 mit der Potentialdifferenz von 0,4 V beaufschlagt wird, bei der Reduzierung des NOx einen Sensorstrom mit einem der Konzentration von NOx in den Abgasen entsprechenden Betrag.
Gemäß 1 wird der Sensorstrom über den Verbindungsanschluss 181 der Signalverarbeitungsschaltung 100 zugeführt. Die Signalverarbeitungsschaltung 100 setzt den Spannungsabfall am Widerstand 112 in ein Spannungssignal um, wobei dieser Spannungsabfall durch den über den Widerstand 112 fließenden Sensorstrom herbeigeführt wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 100 führt sodann dieses Spannungssignal dem Mikrocomputer 170 zu.
Der Mikrocomputer 170 berechnet sodann einen Sensorstromwert des Gassensors 20 auf der Basis des Spannungssignals und des Widerstandswertes des Widerstands 112 und setzt diesen Sensorstromwert in eine NOx-Konzentration um, woraufhin der umgesetzte Konzentrationswert von NOx über den Ausgang OT der Motorsteuereinheit ECU 9 zugeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei diesem ersten Ausführungsbeispiel das in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 im wesentlichen auf gleichem Potential gehaltene Schutz- oder Abschirmmuster 120 an der Peripherie der Signaleingabemuster 110 angeordnet, die jeweils eine Gleichstromimpedanz von 2 kΩ oder weniger in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 aufweisen, sodass durch das Schutz- oder Abschirmmuster 120 verhindert wird, dass Leckströme in das Signaleingabemuster 110 hineinfließen und/oder aus dem Signaleingabemuster 110 herausfließen, über das der Sensorstrom in Form eines schwachen Stroms von annähernd einigen wenigen nA fließt.
Bei der Messung von NOx als spezifizierter Gasbestandteil ist nämlich der von dem Gassensor 20 erhaltene Sensorstrom derart schwach, dass bei der Vergrößerung und/oder Verkleinerung des Sensorstroms durch Leckströme eine genaue Messung des Sensorstroms mit Schwierigkeiten verbunden sein kann.
Außerdem nimmt der Oberflächenwiderstand des Messsubstrats 10 zwischen den jeweiligen Differenzpotentialmustern 140 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 in proportionaler Abhängigkeit von ihrem Abstand zueinander ab, sodass bei einem geringen jeweiligen Abstand zwischen den Differenzpotentialmustern 140 und den Signaleingabemustern 110 gemäß dem Ohm'schen Gesetzt zwischen ihnen große Leckströme fließen können.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird jedoch durch das Schutz- oder Abschirmmuster 120 verhindert, dass Leckströme in die jeweiligen Signalmuster 110 hineinfließen und/oder aus ihnen herausfließen, sodass bei dem Messsubstrat 10 der Betrag des von dem Verbindungsanschluss 181 zu den Signaleingabemustern 110 fließenden Sensorstroms nahezu unbeeinflusst von Einwirkungen der Differenzpotentialmuster 140 bleibt.
Das Gaskonzentrationsmessgerät 1 mit dem Messsubstrat 10, bei dem die Signaleingabemuster 110 von dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 umgeben sind, ist somit in der Lage, den Sensorstrom mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu messen und ermöglicht somit eine genaue Messung der Konzentration von NOx im Abgas.
Insbesondere ist das Schutz- oder Abschirmmuster 120 bei dem Messsubstrat 10 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel in den Zwischenräumen zwischen den Kontaktabschnitten 185a1 und 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 angeordnet.
Die jeweiligen Abstände zwischen den benachbarten Kontaktabschnitten 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 sind nämlich gering und betragen z.B. nur annähernd 0,6 mm, da der integrierte Schaltkreis 105 jeweilige geringe Anschlussabstände von 1,27 mm aufweist, was zum Fließen von Leckströmen führen kann.
Das Messsubstrat 10 ist jedoch mit dem in den Zwischenräumen zwischen den Kontaktabschnitten 185a1 und 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 angeordneten Schutz- oder Abschirmmuster 120 versehen, sodass eine Beeinträchtigung des Sensorstroms durch Leckströme wirksam verhindert werden kann.
Ferner bildet bei diesem ersten Ausführungsbeispiel das Signalmessmuster 111 einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω und weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats 10 und ist mit dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 elektrisch verbunden, d.h., da das Signalmessmuster 111 einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω und weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats 10 darstellt, steht das Potential des Signalmessmusters 111 in engem Zusammenhang mit den Potentialen der Signaleingabemuster 110.
Das Schutz- oder Abschirmmuster 120 ist daher mit dem Signalmessmuster 111 elektrisch verbunden, sodass das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 in gleichem Maße wie die Schwankungen der Potentiale der Signaleingabemuster 110 schwanken kann, wodurch Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Potentialen der Signaleingabemuster 110 verhindert werden.
Wenn externe Bedingungen eine Schwankung der Potentiale der Signaleingabemuster 110 verursachen, können daher Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 verhindert werden.
Da ferner das mit dem Ausgang 101a des Operationsverstärkers 101 zur Abgabe eines dem Potential des Verbindungsanschlusses 181 entsprechenden Potentials über den Ausgang 101a elektrisch verbundene Signalmessmuster 111 auch mit dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 elektrisch verbunden ist, können Potentialdifferenzen zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 umso mehr verhindert werden.
Darüber hinaus kann bei diesem ersten Ausführungsbeispiel das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 dem Potential des Signalmessmusters 111 im wesentlichen entsprechen.
Als Modifikation dieses ersten Ausführungsbeispiels können anstelle des die Signaleingabemuster 110 umgebenden Schutz- oder Abschirmmusters 120 auch Schutzmuster in entsprechend ausgewählten, erforderlichen Zwischenräumen zwischen den benachbarten Kontaktabschnitten 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 angeordnet werden.
Bei dieser Modifikation müssen die jeweiligen Schutzmuster eine Potentialdifferenz von 0,5 V oder weniger in Bezug auf die Signaleingabemuster 110 aufweisen.
Durch diese Modifikation kann das Auftreten von Leckströmen in Proportion zu dem Verhältnis der erforderlichen Abstände zu sämtlichen Abständen zwischen den benachbarten Kontaktabschnitten 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 verhindert werden.
Ferner können bei dieser Modifikation jeweilige benachbarte Schutzmuster mit elektrischen Bauelementen, wie Verbindungsleitungen, Widerständen oder dergleichen verbunden werden, wenn die strukturelle Anordnung der Leiterbahnmuster auf dem Messsubstrat dies erlaubt.
Bei dieser Modifikation ist es erforderlich, die Potentiale der jeweiligen benachbarten Schutzmuster auf annähernd plus oder minus 1 V zu begrenzen.
Da die Potentiale der jeweiligen benachbarten Schutzmuster auf annähernd plus oder minus 1 V begrenzt sind, kann davon ausgegangen werden, dass bei diesen Schutzmustern im wesentlichen ein konstantes Potential aufrecht erhalten wird, sodass ein Austausch des einzelnen Schutz- oder Abschirmmusters 120 durch diese Schutzmuster möglich ist.
Als weitere Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels kann in Betracht gezogen werden, die Schutzmuster nur in einigen, jeweils nicht mehr als 0,7 mm betragenden Zwischenräumen zwischen den benachbarten Kontaktabschnitten 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 anzuordnen. Durch diese Anordnung kann das Auftreten von Leckströmen in Zwischenräumen mit einem jeweiligen Abstand von 0,7 mm oder weniger wirksam verhindert werden, in denen im Vergleich zu den restlichen Zwischenräumen mit nicht unter 0,7 mm liegenden Abständen Leckströme mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten.
Als weitere Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels kann in Betracht gezogen werden, die Schutzmuster nur in einigen Zwischenräumen zwischen einigen Paaren benachbarter Kontaktabschnitte 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 anzuordnen, wobei einige Signaleingabemuster 110 und einige Differenzpotentialmuster 140, die den Paaren der benachbarten Kontaktabschnitte 185a1, 185b1 des integrierten Schaltkreises 105 entsprechen, jeweils Potentialdifferenzen von 2 V oder mehr aufweisen.
Durch diese Anordnung kann das Auftreten von Leckströmen in einigen Zwischenräumen verhindert werden, bei denen im Vergleich zu den restlichen Zwischenräumen, die den restlichen Signaleingabemustern 110 und den restlichen Differenzpotentialmustern 140 mit jeweiligen Potentialdifferenzen von weniger als 2 V entsprechen, Leckströme mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten.
Bei einem in 8 dargestellten Gaskonzentrationsmessgerät 1A gemäß einer weiteren Modifikation dieses ersten Ausführungsbeispiels kann ein Schutzmuster 120a elektrisch mit einem Leiterbahnmuster 109e verbunden sein, das zwischen den nichtinvertierenden Eingang 102a des Operationsverstärkers 102 und die Spannungsteilerschaltung 115 geschaltet ist.
Da der Operationsverstärker 102 dahingehend ausgestaltet ist, dass das Potential seines nichtinvertierenden Eingangs 102a im wesentlichen das Potential des Verbindungsanschlusses 181 annimmt, ermöglicht die elektrische Verbindung des Schutzmusters 120a mit dem nichtinvertierenden Eingang 102a des Operationsverstärkers 102, dass das Potential des Schutzmusters 120a den jeweiligen Potentialen der Signaleingabemuster 110 entspricht.
Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel wird die an den nichtinvertierenden Eingang 102a des Operationsverstärkers 102 angelegte Spannung durch Teilung der Versorgungsspannung des Messsubstrats 10 durch die beiden Widerstände R3 und R4 der Spannungsteilerschaltung 115 erhalten.
Das mit dem nichtinvertierenden Eingang 102a des Operationsverstärkers 102 elektrisch verbundene Leiterbahnmuster 109e bildet somit in der in 8 dargestellten Weise einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung 100 sowie einen Teil des Signalmessmusters 111, das einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von nicht mehr als 500 Ω in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats 10 bildet.
Da nämlich die Versorgungsspannung des Messsubstrats 10 in Bezug auf die Signaleingabemuster 110 ein unterschiedliches Potential aufweist, das mit dem Potential der Signaleingabemuster 110 schwankt, steht das Potential des Signalmessmusters 111 in engem Zusammenhang mit den Potentialen der Signaleingabemuster 110.
Das Schutzmuster 120a ist daher mit dem Signalmessmuster 111 elektrisch verbunden, sodass das Potential des Schutzmusters 120a in gleichem Maße wie die Schwankungen der Potentiale der Signaleingabemuster 110 schwanken kann, wodurch Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Schutzmuster 120a und den jeweiligen Potentialen der Signaleingabemuster 110 verhindert werden.
Wenn externe Bedingungen Schwankungen der Potentiale der Signaleingabemuster 110 hervorrufen, können daher Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Schutzmuster 120a und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 verhindert werden.
Weiterhin kann bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel das Potential des Schutzmusters 120a im wesentlichen dem Potential des Signalmessmusters 111 entsprechen.
In 9 ist ein Gaskonzentrationsmessgerät 1B gemäß einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt, das einen Gassensor 20B und außerdem eine Korrekturzelle 92 mit den gleichen Eigenschaften und dem gleichen Aufbau wie die Sensorzelle 82 aufweist.
Außerdem umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät 1B eine elektrische Schaltungsanordnung 108B mit einer Signalverarbeitungsschaltung 900 und einer Stromversorgungsschaltung 950, die auf der Oberfläche des Messsubstrats 10 zusätzlich zu der Signalverarbeitungsschaltung 100 und der Stromversorgungsschaltung 150 angeordnet sind. Die Signalverarbeitungsschaltung 900 besitzt die gleichen Eigenschaften und den gleichen Aufbau wie die Signalverarbeitungsschaltung 100, während die Stromversorgungsschaltung 950 die gleichen Eigenschaften und den gleichen Aufbau wie die Stromversorgungsschaltung 150 aufweist.
Die Signalverarbeitungsschaltung 900 umfasst somit Operationsverstärker 901 bis 903, die den Operationsverstärkern 101 bis 103 entsprechen, einen Widerstand 912, der dem Widerstand 112 entspricht, Signaleingabemuster 910 (909a), die den Signaleingabemustern 110 entsprechen, Differenzpotentialmustern 940 (909b), die den Differenzpotentialmustern 140 (109b) entsprechen, ein Schutzmuster 920 (909c), das dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 (109c) entspricht, sowie ein Signalmessmuster 911, das dem Signalmessmuster 111 entspricht.
Auch bei dieser Modifikation ist somit das dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 entsprechende Schutzmuster 920 auf dem Messsubstrat 10B derart angeordnet, dass es die den Signaleingabemustern 110 entsprechenden Signaleingabemuster 910 umgibt.
In ähnlicher Weise umfasst die Stromversorgungsschaltung 950 eine der Spannungsteilerschaltung 153 entsprechende Spannungsteilerschaltung 953 sowie einen dem Operationsverstärker 155 entsprechenden Operationsverstärker 955.
Die Signaleingabemuster 910 (910a) sind mit einem dem Verbindungsanschluss 181 entsprechenden Verbindungsanschluss 981 elektrisch verbunden, während die Stromversorgungsschaltung 950 mit einem dem Verbindungsanschluss 182 entsprechenden Verbindungsanschluss 982 elektrisch verbunden ist.
Die Korrekturzelle 92 ist zur Messung der Konzentration von in der zweiten Kammer 812 verbliebenem Sauerstoff ausgestaltet.
Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel berechnet der Mikrocomputer 170B somit den Wert des von der Sensorzelle 82 erzeugten Sensorstroms auf der Basis des von der Signalverarbeitungsschaltung 100 erhaltenen Spannungssignals und des Widerstandswerts des Widerstands 112 und korrigiert den berechneten Sensorstromwert der Sensorzelle 82 auf der Basis des von der Sensorzelle 92 erhaltenen Sensorstromwertes.
Durch diese Modifikation lässt sich somit die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Sensorstroms verbessern, da der gemessene Sensorstrom von der verbliebenen Sauerstoffkonzentration im wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Im Rahmen dieser Korrekturverarbeitung kann der Mikrocomputer 170B auch einen Mittelwert des der Sensorzelle 82 entsprechenden berechneten Sensorstromwerts und des von der Sensorzelle 92 erhaltenen Sensorstromwerts berechnen.
Zweites Ausführungsbeispiel
10 veranschaulicht ein Messsubstrat 10C eines Gaskonzentrationsmessgeräts 1C gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Messsubstrat 10 des Gaskonzentrationsmessgeräts 1 durch das eine vielschichtige Struktur aufweisende Messsubstrat lOC ersetzt.
Das in 10 ohne die Leiterbahnmuster und die elektrischen Bauelemente dargestellte Messsubstrat 10C gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst eine Anzahl von z.B. drei Isolierschichten 211a1 bis 211a3 sowie eine Anzahl von z.B. vier leitfähigen Schichten 212a1 bis 212a4 mit einer jeweiligen Oberfläche, auf der die Leiterbahnmuster 109a bis 109c ausgebildet sind. Die leitfähigen Schichten 212a1 bis 212a4 und die Isolierschichten 211a1 bis 211a3 sind zur Bildung des Messsubstrats lOC abwechselnd derart laminiert, dass die Isolierschicht 211a1 zwischen den leitfähigen Schichten 212a1 und 212a2, die Isolierschicht 211a2 zwischen den leitfähigen Schichten 212a2 und 212a3 und die Isolierschicht 211a3 zwischen den leitfähigen Schichten 212a3 und 212a4 angeordnet sind.
Wie in den 11 und 12 veranschaulicht ist, sind die den Signaleingabemustern 110 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechenden Signaleingabemuster 110a in der leitfähigen Schicht 212a1 ausgebildet, die einen Oberflächenbereich des Messsubstrats 10C darstellt. Die leitfähige Schicht 212a1 wird nachstehend auch als "leitfähige Oberflächenschicht 212a1'' bezeichnet.
Die den Differenzpotentialmustern 140 entsprechenden Differenzpotentialmuster 140a1 sind in der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 ausgebildet, wobei auch das dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechende Schutzmuster 120a1 in der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 angeordnet ist, sodass diese Muster in der gleichen Weise wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind.
Wie in 11 veranschaulicht ist, sind jeweilige Differenzpotentialmuster 140a2, 140a3 und 140a4 auch in den leitfähigen Schichten 212a2, 212a3 bzw. 212a4 ausgebildet.
Wie in den 11 und 12 veranschaulicht ist, ist ein Schutzmuster 120a2 in der der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 benachbarten leitfähigen Schicht 212a2 derart ausgebildet, dass es in zumindest einem Teil eines Bereichs AR der leitfähigen Schicht 212a2 angeordnet ist, der den Signaleingabemustern 110a der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 gegenüberliegt. Die leitfähige Schicht 212a2 wird nachstehend auch als "leitfähige Zwischenschicht 212a2'' bezeichnet.
Bei dem Messsubstrat 10C gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu der von dem Schutzmuster 120a1 bewirkten Verhinderung des Auftretens von Leckströmen zwischen den in der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 ausgebildeten Signaleingabemustern 110a und Differenzpotentialmustern 140a1 durch das Schutzmuster 120a2 das Auftreten von Leckströmen zwischen den Signaleingabemustern 110a und den in den leitfähigen Schichten 212a2 bis 212a4 außer der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 ausgebildeten Differenzpotentialmustern 140a2 bis 140a4 wirksam verhindert.
Wie in 12 veranschaulicht ist, können durch das in der leitfähigen Zwischenschicht 212a2 ausgebildete Schutzmuster 120a2 die Leitungswege, über die Leckströme von den anderen leitfähigen Schichten 212a2 bis 212a4 außer der leitfähigen Oberflächenschicht 212a1 zu den Signaleingabemustern 110a fließen, wirksam unterbrochen werden.
Mit Hilfe des Messsubstrats 10C mit der vorstehend beschriebenen mehrschichtigen Struktur können die Packungsdichte des Messsubstrats 10C verbessert und kompakte Abmessungen erhalten werden, während in der vorstehend beschriebenen Weise weiterhin nachteilige Einwirkungen von Leckströmen auf die Signaleingabemuster 110 verhindert werden.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen ist das konstante Potential der Leiterbahnmuster 109c im wesentlichen auf einen Bereich von 80% bis 120% des Potentials eines jeden der Signaleingabemuster 110 eingestellt, sodass die Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen Signaleingabemustern 110 und dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 unter 0,5 V liegt.
Wenn angenommen wird, dass das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 auf weniger als 80% des jeweiligen Potentials der Signaleingabemuster 110 oder auf mehr als 120% dieses Potentials eingestellt ist, ergibt sich eine höhere Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen Signaleingabemustern 110 und dem Schutz- oder Abschirmmuster 120, was gemäß dem Ohm'schen Gesetz zu höheren Leckströmen führt, die die Messgenauigkeit des Gaskonzentrationsmessgeräts 1 bei der Messung der Gaskonzentration beeinträchtigen können.
Vorzugsweise wird daher das Potential des Schutz- oder Abschirmmusters 120 innerhalb eines Bereiches von 80% bis 120% des Potentials der jeweiligen Signaleingabemuster 110 festgelegt.
Wenn in ähnlicher Weise angenommen wird, dass die Potentialdifferenz zwischen jedem Signaleingabemuster 110 und dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 nicht unter 0,5 V liegt, ergeben sich gemäß dem Ohm'schen Gesetz höhere Leckströme, die die Messgenauigkeit des Gaskonzentrationsmessgeräts 1 bei der Messung der Gaskonzentration beeinträchtigen können.
Zweckmäßiger Weise wird daher die Potentialdifferenz zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 auf einen annähernd unter 0,5 V liegenden Wert eingestellt.
Es ist jedoch vorzuziehen, die Potentialdifferenz zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 auf einen annähernd unter 0,2 V liegenden Wert einzustellen.
Wenn eine Einstellung der Potentialdifferenz zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 auf einen annähernd unter 0,2 V liegenden Wert erfolgt, kann das Fließen eines Leckstroms zwischen dem Schutz- oder Abschirmmuster 120 und den jeweiligen Signaleingabemustern 110 in noch höherem Maße verhindert werden, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit des Sensorstroms erzielen lässt.
Darüber hinaus ist es bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen zweckmäßig, die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 181 auf annähernd 1 Megaohm (MΩ) oder mehr einzustellen.
Bei Einstellung der Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 181 auf annähernd 1 MΩ oder mehr nimmt der Sensorstrom ab, sodass diese Maßnahme zur Verhinderung des Auftretens von Leckströmen zwischen den Signaleingabemustern 110 und den Differenzpotentialmustern 140 insbesondere effektiv ist.
Darüber hinaus ist es bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen zweckmäßig, die Gleichstromimpedanz der jeweiligen Signaleingabemuster 110 in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 auf annähernd 2 kΩ oder weniger einzustellen.
Wenn nämlich eine Einstellung der Gleichstromimpedanz eines jeden der Signalmuster 110 in Bezug auf den Verbindungsanschluss 181 auf annähernd 2 kΩ oder weniger erfolgt, nimmt der Sensorstrom ab, sodass diese Maßnahme zur Verhinderung des Auftretens von Leckströmen zwischen den Signaleingabemustern 110 und den Differenzpotentialmustern 140 insbesondere effektiv ist.
Darüber hinaus ist es bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen akzeptabel, die Potentialdifferenzen zwischen den Differenzpotentialmustern 140 und den Signaleingabemustern 110 jeweils auf 4 V oder mehr einzustellen.
Wenn nämlich die Potentialdifferenzen zwischen den Differenzpotentialmustern 140 und den Signaleingabemustern 110 jeweils auf 4 V oder mehr eingestellt werden, nimmt der Sensorstrom ab, sodass dies eine exzellente Maßnahme zur Verhinderung des Auftretens von Leckströmen zwischen den Signaleingabemustern 110 und den Differenzpotentialmustern 140 darstellt.
Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und deren Modifikationen die Signalverarbeitungsschaltung 100 jeweils drei Operationsverstärker und den Widerstand aufweist, ist die Erfindung natürlich nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt, sondern es kann eine beliebige Signalverarbeitungsschaltung mit unterschiedlichem Schaltungsaufbau als Signalverarbeitungsschaltung 100 Verwendung finden, solange sie die Funktion der Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms erfüllt.
Obwohl bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und deren Modifikationen die Messung der Konzentration von NOx durch den Gassensor in Betracht gezogen worden ist, kann durch den Gassensor auch die Messung von CO, HC oder anderen ähnlichen Gasbestandteilen erfolgen.
Die vorliegende Patentanmeldung basiert auf der am 26. Dezember 2002 eingereichten japanischen Patentanmeldung 2002-377 918 sowie der am 29. Oktober 2003 eingereichten japanischen Patentanmeldung 2003-369 493, deren Prioritäten in Anspruch genommen worden sind und auf deren Offenbarung im Rahmen der vorstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Gaskonzentrationsmessgerät ist somit ein Messsubstrat vorgesehen, in dem ein Leiterbahnmusterbereich ausgebildet ist. Dieser Leiterbahnmusterbereich umfasst ein mit einem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und eine Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signaleingabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger der Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potentialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters sowie ein Schutz- oder Abschirmmuster mit einem im wesentlichen konstanten Potential und einer Potentialdifferenz von weniger als 0,5 V in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters, wobei dieses Schutz- oder Abschirmmuster auf zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotentialmuster liegt.

Claims

Gaskonzentrationsmessgerät, mit einem Gassensor, der zur Messung der Konzentration eines in einem Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils und Abgabe eines der gemessenen Konzentration des spezifischen Gasbestandteils entsprechenden Sensorstroms ausgestaltet ist, und einem Messsubstrat, auf dem eine elektrische Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die mit dem Gassensor elektrisch verbunden ist und eine zur Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms ausgestaltete Signalverarbeitungsschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung einen mit dem Gassensor elektrisch verbundenen Verbindungsanschluss, der zur Zuführung des Sensorstroms von dem Gassensor ausgestaltet ist und eine Eingangsimpedanz von 500 kΩ oder mehr aufweist, einen in dem Messsubstrat ausgebildeten Leiterbahnmusterbereich, und ein in dem Leiterbahnmusterbereich angeordnetes elektrisches Bauteil aufweist, und dass der Leiterbahnmusterbereich ein mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signaleingabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger als die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potentialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters, und ein Schutzmuster mit einem im wesentlichen konstanten Potential und einer Potentialdifferenz von weniger als 0,5 V in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist, wobei das Schutzmuster in zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotentialmuster liegt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmuster eine Potentialdifferenz von weniger als 0,2 V in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 1 MΩ oder mehr beträgt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Gleichstromimpedanz von 2 kΩ oder weniger in Bezug auf die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzpotentialmuster eine 4 V oder mehr betragende Potentialdifferenz in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Vielzahl von Signaleingabemustern umfasst, das Differenzpotentialmuster eine Vielzahl von Differenzpotentialmustern umfasst und das Messsubstrat eine leitfähige Oberflächenschicht, in der die Signaleingabemuster, die Differenzpotentialmuster und das Schutzmuster ausgebildet sind, sowie eine Isolierschicht aufweist, auf der die leitfähige Oberflächenschicht angeordnet ist, und dass der zumindest eine Teil des Messsubstrats in einem Zwischenraum zwischen zumindest einem der Signaleingabemuster und zumindest einem der Differenzpotentialmuster angeordnet ist, wobei das zumindest eine Signaleingabemuster und das zumindest eine Differenzpotentialmuster benachbart zueinander angeordnet sind.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Vielzahl von Signaleingabemustern umfasst, das Differenzpotentialmuster eine Vielzahl von Differenzpotentialmustern umfasst, das Schutzmuster eine Vielzahl von Schutzmustern umfasst und das Messsubstrat eine Vielzahl von leitfähigen Schichten und eine Vielzahl von Isolierschichten aufweist, die abwechselnd derart laminiert sind, dass eine der leitfähigen Schichten einem Oberflächenbereich des Messsubstrats entspricht, eine weitere der leitfähigen Schichten über eine zwischenliegend angeordnete der Isolierschichten benachbart zu der einen leitfähigen Schicht angeordnet ist, die Signaleingabemuster in der einen der leitfähigen Schichten ausgebildet sind, die Differenzpotentialmuster in der einen der leitfähigen Schichten ausgebildet sind, die Schutzmuster jeweils in sowohl der einen als auch der weiteren leitfähigen Schicht ausgebildet sind und der zumindest eine Teil des Messsubstrats in einem Zwischenraum zwischen zumindest einem der Signaleingabemuster und zumindest einem der Differenzpotentialmuster in der einen leitfähigen Schicht angeordnet ist, wobei das zumindest eine Signaleingabemuster und das zumindest eine Differenzpotentialmuster benachbart zueinander angeordnet sind, und dass zumindest eines der in der weiteren leitfähigen Schicht ausgebildeten Schutzmuster in einem Bereich der weiteren leitfähigen Schicht angeordnet ist, die zumindest einem der in der einen leitfähigen Schicht ausgebildeten Signaleingabemuster gegenüber liegt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterbahnmusterbereich ein Signalmessmuster aufweist, das einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω oder weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats und der Signalverarbeitungsschaltung bildet, und dass das Schutzmuster mit dem Signalmessmuster elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsschaltung einen mit dem Signaleingabemuster elektrisch verbundenen Operationsverstärker aufweist, der zur Eingabe des Potentials des Signaleingabemusters und zur Abgabe einer dem eingegebenen Potential im wesentlichen gleichen Spannung ausgestaltet ist, dass der Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist und dass das Schutzmuster mit dem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsschaltung einen Operationsverstärker mit einem nichtinvertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem Ausgang aufweist, dass der invertierende Eingang mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbunden ist, dass der Operationsverstärker zur Einsteuerung einer weitgehenden Koinzidenz des dem nichtinvertierenden Eingang zugeführten Potentials mit dem Potential des Verbindungsanschlusses ausgestaltet ist, dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers mit einem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist, und dass das Schutzmuster mit dem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmuster derart angeordnet ist, dass es das Signaleingabemuster umgibt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzpotentialmuster einen freiliegenden Bereich, auf dem keine Isolierbeschichtung ausgebildet ist, und einen beschichteten Bereich aufweist, auf dem eine Isolierbeschichtung ausgebildet ist, und dass das Schutzmuster einen freiliegenden Nachbarbereich, der benachbart zu dem freiliegenden Bereich angeordnet ist und auf dem keine Isolierschicht ausgebildet ist, sowie einen beschichteten Nachbarbereich aufweist, der benachbart zu dem beschichteten Bereich angeordnet ist und auf dem eine Isolierschicht ausgebildet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zwei Sensorzellen aufweist, die jeweils einen Sensorstrom abgeben, dass das Messsubstrat zwei Signalverarbeitungsschaltungen aufweist, von denen eine Signalverarbeitungsschaltung mit einer der Sensorzellen elektrisch verbunden ist, während die andere Signalverarbeitungsschaltung mit der anderen Sensorzelle elektrisch verbunden ist, und dass eine der Signalverarbeitungsschaltungen zur Korrektur des von einer der Sensorzellen abgegebenen Sensorstroms in Abhängigkeit von dem von der anderen Signalverarbeitungsschaltung gemessenen und abgegebenen Sensorstrom ausgestaltet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Gasbestandteil NOx, CO oder HC ist.
Gaskonzentrationsmessgerät, mit einem Gassensor, der zur Messung der Konzentration eines in einem Gas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils und Abgabe eines der gemessenen Konzentration des spezifischen Gasbestandteils entsprechenden Sensorstroms ausgestaltet ist, und einem Messsubstrat, auf dem eine elektrische Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die mit dem Gassensor elektrisch verbunden ist und eine zur Messung des von dem Gassensor abgegebenen Sensorstroms ausgestaltete Signalverarbeitungsschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung einen mit dem Gassensor elektrisch verbundenen Verbindungsanschluss, der zur Zuführung des Sensorstroms von dem Gassensor ausgestaltet ist und eine Eingangsimpedanz von 500 kΩ oder mehr aufweist, einen in dem Messsubstrat ausgebildeten Leiterbahnmusterbereich, und ein in dem Leiterbahnmusterbereich angeordnetes elektrisches Bauteil aufweist, und dass der Leiterbahnmusterbereich ein mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbundenes und einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung bildendes Signaleingabemuster, das in Bezug auf den Verbindungsanschluss eine Gleichstromimpedanz aufweist, die 10% oder weniger als die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses beträgt, ein Differenzpotentialmuster mit einer Potentialdifferenz von 2 V oder mehr in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters, und ein Schutzmuster mit einem im wesentlichen konstanten, im Bereich von 80% bis 120 des Potentials des Signaleingabemusters liegenden Potential aufweist, wobei das Schutzmuster in zumindest einem Teil des Messsubstrats angeordnet ist, der zwischen dem Signaleingabemuster und dem Differenzpotentialmuster liegt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmuster eine Potentialdifferenz von weniger als 0,2 V in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses 1 MΩ oder mehr beträgt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Gleichstromimpedanz von 2 kΩ oder weniger in Bezug auf die Eingangsimpedanz des Verbindungsanschlusses aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzpotentialmuster eine 4 V oder mehr betragende Potentialdifferenz in Bezug auf das Potential des Signaleingabemusters aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Vielzahl von Signaleingabemustern umfasst, das Differenzpotentialmuster eine Vielzahl von Differenzpotentialmustern umfasst und das Messsubstrat eine leitfähige Oberflächenschicht, in der die Signaleingabemuster, die Differenzpotentialmuster und das Schutzmuster ausgebildet sind, sowie eine Isolierschicht aufweist, auf der die leitfähige Oberflächenschicht angeordnet ist, und dass der zumindest eine Teil des Messsubstrats in einem Zwischenraum zwischen zumindest einem der Signaleingabemuster und zumindest einem der Differenzpotentialmuster angeordnet ist, wobei das zumindest eine Signaleingabemuster und das zumindest eine Differenzpotentialmuster benachbart zueinander angeordnet sind.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemuster eine Vielzahl von Signaleingabemustern umfasst, das Differenzpotentialmuster eine Vielzahl von Differenzpotentialmustern umfasst, das Schutzmuster eine Vielzahl von Schutzmustern umfasst und das Messsubstrat eine Vielzahl von leitfähigen Schichten und eine Vielzahl von Isolierschichten aufweist, die abwechselnd derart laminiert sind, dass eine der leitfähigen Schichten einem Oberflächenbereich des Messsubstrats entspricht, eine weitere der leitfähigen Schichten über eine zwischenliegend angeordnete der Isolierschichten benachbart zu der einen leitfähigen Schicht angeordnet ist, die Signaleingabemuster in der einen der leitfähigen Schichten ausgebildet sind, die Differenzpotentialmuster in der einen der leitfähigen Schichten ausgebildet sind, die Schutzmuster jeweils in sowohl der einen als auch der weiteren leitfähigen Schicht ausgebildet sind und der zumindest eine Teil des Messsubstrats in einem Zwischenraum zwischen zumindest einem der Signaleingabemuster und zumindest einem der Differenzpotentialmuster in der einen leitfähigen Schicht angeordnet ist, wobei das zumindest eine Signaleingabemuster und das zumindest eine Differenzpotentialmuster benachbart zueinander angeordnet sind, und dass zumindest eines der in der weiteren leitfähigen Schicht ausgebildeten Schutzmuster in einem Bereich der weiteren leitfähigen Schicht angeordnet ist, die zumindest einem der in der einen leitfähigen Schicht ausgebildeten Signaleingabemuster gegenüber liegt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterbahnmusterbereich ein Signalmessmuster aufweist, das einen Leitungsweg mit einer Ausgangsimpedanz von 500 Ω oder weniger in Bezug auf die Masseverbindung des Messsubstrats und der Signalverarbeitungsschaltung bildet, und dass das Schutzmuster mit dem Signalmessmuster elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsschaltung einen mit dem Signaleingabemuster elektrisch verbundenen Operationsverstärker aufweist, der zur Eingabe des Potentials des Signaleingabemusters und zur Abgabe einer dem eingegebenen Potential im wesentlichen gleichen Spannung ausgestaltet ist, dass der Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist und dass das Schutzmuster mit dem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsschaltung einen Operationsverstärker mit einem nichtinvertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem Ausgang aufweist, dass der invertierende Eingang mit dem Verbindungsanschluss elektrisch verbunden ist, dass der Operationsverstärker zur Einsteuerung einer weitgehenden Koinzidenz des dem nichtinvertierenden Eingang zugeführten Potentials mit dem Potential des Verbindungsanschlusses ausgestaltet ist, dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers mit einem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist, und dass das Schutzmuster mit dem Teil des Signalmessmusters elektrisch verbunden ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmuster derart angeordnet ist, dass es das Signaleingabemuster umgibt.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzpotentialmuster einen freiliegenden Bereich, auf dem keine Isolierbeschichtung ausgebildet ist, und einen beschichteten Bereich aufweist, auf dem eine Isolierbeschichtung ausgebildet ist, und dass das Schutzmuster einen freiliegenden Nachbarbereich, der benachbart zu dem freiliegenden Bereich angeordnet ist und auf dem keine Isolierschicht ausgebildet ist, sowie einen beschichteten Nachbarbereich aufweist, der benachbart zu dem beschichteten Bereich angeordnet ist und auf dem eine Isolierschicht ausgebildet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zwei Sensorzellen aufweist, die jeweils einen Sensorstrom abgeben, dass das Messsubstrat zwei Signalverarbeitungsschaltungen aufweist, von denen eine Signalverarbeitungsschaltung mit einer der Sensorzellen elektrisch verbunden ist, während die andere Signalverarbeitungsschaltung mit der anderen Sensorzelle elektrisch verbunden ist, und dass eine der Signalverarbeitungsschaltungen zur Korrektur des von einer der Sensorzellen abgegebenen Sensorstroms in Abhängigkeit von dem von der anderen Signalverarbeitungsschaltung gemessenen und abgegebenen Sensorstrom ausgestaltet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Gasbestandteil Stickoxide, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe umfasst.