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1、10申请公布号CN104047693A43申请公布日20140917CN104047693A21申请号201410091611122申请日20140313102013204480120130314DEF01N11/0020060171申请人罗伯特博世有限公司地址德国斯图加特72发明人T瓦尔R菲克斯D孔茨A马丁74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人梁冰杨国治54发明名称排气传感器装置57摘要本发明涉及一种用于检测内燃机的排气系统（10）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，所述至少一个排气传感器检测至少一个排气成分的浓度。
2、。以这种方式可以舍弃一费用高昂的传感器控制单元（20），由此能够减小研发成本或制造成本。此外由此也可以减小用于所述排气系统的结构空间。30优先权数据51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104047693ACN104047693A1/1页21一种用于检测内燃机的排气系统（10）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。2按照权利要求1所述的排气传感器装置，其中，至少一个排气传感器是一CHEM。
3、FET传感器。3按照权利要求1或2所述的排气传感器装置，其中，所述至少一个排气传感器集成在至少一个传感器芯片（32）上。4按照权利要求1至3中任一项所述的排气传感器装置，其中，所述排气传感器装置不与一传感器控制单元（20）连接。5按照权利要求1至4中任一项所述的排气传感器装置，其中，多个不同的排气传感器能够集成在所述至少一个传感器芯片（32）上。6按照权利要求1至5中任一项所述的排气传感器装置，其中，所述至少一个传感器芯片（32）包括一用于对检测到的传感器值进行信号处理的电路。7按照权利要求1至6中任一项所述的排气传感器装置，其中，不同的排气传感器在所述至少一个传感器芯片（32）上能够经由一多。
4、路转接器（34）时间一致地先后读取。8按照权利要求1至7中任一项所述的排气传感器装置（30），其中，所述至少一个传感器芯片（32）除了检测至少一个排气成分的浓度之外，还包括其它功能。9按照权利要求1至8中任一项所述的排气传感器装置（30），其中，所检测到的所述至少一个传感器芯片（32）的传感器值的信号处理的一部分能够移置到一中央的马达控制器（12）中。10按照权利要求1至9中任一项所述的排气传感器装置（30），其中，所述信号处理能够集成在一第二传感器芯片上。11内燃机的排气系统，至少包括一马达控制器（12），其中，所述马达控制器（12）调节一马达；一排气管（14），其中，通过所述排气管（14）。
5、传导所述马达的排气；一排气传感器装置，其中，所述排气传感器装置获知所述排气管（14）中的至少一个排气成分的浓度，其中，所述排气传感器装置直接与所述传感器控制单元（12）连接。12按照权利要求11所述的排气系统，其中，所述排气系统不包括传感器控制单元（20）。13按照权利要求11或12中任一项所述的排气系统，其中，所述排气传感器装置（30）包括至少一个CHEMFET传感器。权利要求书CN104047693A1/5页3排气传感器装置技术领域0001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0002用在现代的或者说将来的排气后处。
6、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0003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。
7、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。0004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。
8、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。0005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。
9、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。说明书CN104047693A2/5页40006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。
10、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。0007在。
11、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。0008有利地，所述排气传感器装置不与一传感器控制单元连接。所述至少一个排气传感器可以如此设计，使得能够舍弃通过使用一附加的传感器附近的、尤其是用于放大传感器信号的电子电路进行的所述排气传感器的自身的信号放大。因此。
12、，较大的优点在于节省了传感器附近的传感器控制单元的研发成本和制造成本。此外，可以节省在排气系统中的额外的结构空间，该结构空间是为了将所述传感器控制单元安装在传感器附近所需的。0009有利的是，多个不同的排气传感器可集成在所述排气传感器装置的至少一个传感器芯片上。由此可以选择性地测量不同的排气成分。在此情况下，所述排气传感器可以测量例如氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和/或氨。因此，可以以简单的方式实现一排气传感器装置，其可以检测多个排气成分。0010有利地，所述排气传感器装置的至少一个传感器芯片包括一用于对检测到的传感器值进行信号处理的电路。因此，所检测到的传感器信号的信号处理可直接在所述至少一。
13、个传感器芯片上进行。这样可以舍弃一传感器控制单元，并且通过所述至少一个传感器芯片所处理的传感器信号可以直接传递到所述马达控制器上。0011在所述排气传感器装置的另一种有利的构造方案中，不同的排气传感器在所述至少一个传感器芯片上可经由一多路转接器（MULTIPLEXER）来时间一致地（ZEITGLEICH）先后读取。多路转接器的概念表示一选择电路，利用该选择电路可从一定数量的输入信号中选出一个输入信号并且接通到输出端。多路转接器与旋转开关具有可比性，其不是用手，而是利用电子信号来调节。与继电器的区别在于，该连接不是机械地、而是通过集成的半导体电路来实现的。通过使用一多路转接器，所述至少一个传感器。
14、芯片可以先后读取所述排气传感器的传感器信号、进行处理并且经由一输出信号传递到所述马达控制单元上。由此可以舍弃用于处理和传递所述排气传感器装置的传感器信号的传感器控制单元。由于所述半导体材料的较大的带隙，所述多路转接器的功能可直接在所述传感器芯片上借助于适合于高温的电子装置，例如半导体构件、二极管或晶体管来实现。此外，利用不同的排气传感器可以减少用于运行一传感器芯片的线缆的数量。说明书CN104047693A3/5页50012有利的是，所述排气传感器装置的至少一个传感器芯片除了检测至少一个排气成分的浓度之外，还包括其它功能。以相同的方式可实现其它功能，这些功能在所述传感器芯片上被程序化，例如模拟。
15、/数字转换器、用于与所使用的总线系统进行通讯的单元、传感器温度调节器、信号滤波器和信号调制器。这样，整个信号处理可以集成在所述至少一个传感器芯片上，由此能够舍弃用于对所述排气传感器装置的传感器信号进行信号处理的传感器附近的传感器控制单元。此外，其它的功能由于所述半导体材料的较大的带隙可以直接在所述传感器芯片上借助于适合于高温的电子装置来实现。0013有利地，所检测到的所述排气传感器装置的至少一个传感器芯片的传感器值的信号处理的一部分可以移置到一中央的马达控制器中。由于自身的放大且因此较好的信噪比，可以将所述信号处理的一部分移置到所述中央的马达控制器中。为此可以输出传感器的模拟的数据电流，其在所。
16、述马达控制器中被继续处理。可替换的是，所述传感器信号的数字化可以直接在所述传感器芯片上进行转换且随后将传感器原始信号的数字的数据电流经由例如SENT接口或PSI5接口直接导入到所述中央的马达控制器中。因此，所述CHEMFET传感器可以输出信号，这些信号可直接由所述中央的马达控制器来呈现并且继续处理，从而取消了一传感器自身的控制器。0014在所述排气传感器装置的另一种有利的构造方案中，所述信号处理可集成在一第二传感器芯片上。由此可以简化所述排气传感器装置。0015此外，本发明包括一种内燃机的排气系统，具有至少一个马达控制器，其中，所述马达控制器调节一马达；一排气管，其中，通过所述排气管传导所述马。
17、达的排气；一排气传感器装置，其中，所述排气传感器装置获知所述排气管中的至少一个排气成分的浓度，其中，所述排气传感器装置直接与所述马达控制器连接。因此，所述排气传感器装置可以输出传感器信号，所述传感器信号可以直接在所述中央的马达控制器中进行处理。因此，可以舍弃用于为了将传感器信号从所述排气传感器装置向所述马达控制器传递而进行信号放大和/或信号处理的传感器控制单元，由此简化了所述排气系统的结构。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。0016在所述排气系统的一种有利的构造中，所述排气系统不包括传感器控制单元。通过舍弃一传感器控制单元，可以弃除所述排气系统中的额外的结构空间。
18、，因为所述排气传感器装置可将传感器信号在不中间联接传感器控制单元的情况下直接传递。由此可以简化并且也可以缩小所述排气系统的结构。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。0017有利地，所述排气系统的排气传感器装置包括至少一个CHEMFET传感器。因此，在使用至少一个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附加的信号放大。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。0018在根据本发明的主题的其它特征和优点方面，明确地参考结合根据本发明的排气传感器装置和根据本发明的排气系统的说明以及参考实施例。附图说明0019根据本发明的主题。
19、的其它优点和有利的构造方案通过附图和实施例来图解并且在下面的说明书中阐述。在此要注意的是，附图和实施例仅具有描述的特征并且不应考虑说明书CN104047693A4/5页6为以任何一种形式来限制本发明。其中图1示出了现有技术的排气系统的一个局部的示意图；图2示出了根据本发明的排气系统的一个局部的示意图；图3示出了根据本发明的传感器芯片的示意图。具体实施方式0020在图1中示出了现有技术的内燃机的排气系统10的一个局部的示意图。在此，该排气系统10包括一用于调节一马达的马达控制器12、一与所述马达控制器12连接的传感器控制单元20。该传感器控制单元20还与一传感器元件22连接，该传感器元件检测在一。
20、排气管14中的排气。该排气在图1中作为所述排气管14中的一个箭头示出。在现有技术中，使用一基于陶瓷的传感器元件22，其使用离子的泵电流作为传感器信号。出于该原因，这种传感器元件22仅提供在NA范围中的很小的传感器信号。所述传感器信号被传递到所述传感器控制单元20上。在所述传感器控制单元20中，所述传感器信号被放大和/或处理，之后才将所述传感器信号传递到所述马达控制器12上。借助于所述传感器信号可以例如调节所述内燃机的马达。0021在图2中示出了根据本发明的内燃机的排气系统的一个局部的示意图。该排气系统10包括至少一个马达控制器12，其中，所述马达控制器调节一马达；一排气管14，其中，通过所述排。
21、气管14传导所述马达的排气；一排气传感器装置30，其中，所述排气传感器装置获知在所述排气管14中的至少一个排气成分的浓度。该排气在图2中作为所述排气管14中的一个箭头示出。0022与图1相反，在图2中可见，代替一与一传感器控制单元20连接的排气传感器装置22，该排气系统仅具有一直接与所述马达控制器12连接的排气传感器装置30。该排气传感器装置30在此包括至少一个具有自身的信号放大的排气传感器，其中，该至少一个排气传感器检测至少一个排气成分的浓度。所述排气传感器在该实施例中是至少一个CHEMFET传感器。所述排气系统10不包括如在图1中的现有技术的排气系统那样的传感器控制单元20，因此由于缺少了。
22、传感器控制单元20而减小了所述排气系统10受到干扰的可能性。此外也可以减小了所述排气系统10的结构空间。0023在图3中示意性示出了所述排气传感器装置30的排气传感器的传感器芯片32。在图3中该排气传感器装置30具有一传感器芯片32，其中，在该传感器芯片32上集成了多个不同的CHEMFET传感器36A、36B、36C、36D。在此，所述CHEMFET传感器可以识别到待检测的排气中的不同的排气成分。例如CHEMFET传感器36A可以检测氮氧化物，CHEMFET传感器36B可以检测碳氢化合物，CHEMFET传感器36C可以检测一氧化碳，以及CHEMFET传感器36D可以检测氨。所述CHEMFET传。
23、感器由具有较大带隙的坚固的半导体材料制成，例如从一包括SIC或GAN的组中选出，由此使所述CHEMFET传感器即使在更高的温度下也可以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。0024此外，所述排气传感器装置30的传感器芯片32检测至少一个用于对传感器信号进行信号处理的电路。由此可以将所检测到的传感器信号的信号处理直接在所述传感器芯片32上进行。在图3中示出，不同的CHEMFET传感器36A、36B、36C、36D可以在所述排气传感器装置30的传感器芯片32上经由一多路转接器34时间一致地先后读取。所述多路说明书CN104047693A5/5页7转接器34提供一输出信。
24、号到所述马达控制器12上，由此所述马达控制器相应地调节所述马达。通过使用一多路转接器34，减少了用于运行具有多个CHEMFET传感器36A、36B、36C、36D的传感器芯片32的线缆的必要数量。由于所述半导体材料的较大的带隙，所述多路转接器34的功能可直接在所述传感器芯片32上借助于适合于高温的电子装置，例如晶体管或二极管来实现。0025在一种未示出的实施例中，所述排气传感器装置30的传感器芯片32除了检测至少一个排气成分的浓度之外还具有其它的功能。所述其它的功能在所述传感器芯片32上借助于适合于高温的电子装置实现并且可以例如包括模拟/数字转换器、用于与不同的总线系统进行通讯的单元以及传感器。
25、温度调节器。这样将整个信号处理集成在所述传感器芯片32上。0026在另一种未示出的实施例中，对所检测到的所述排气传感器装置30的传感器芯片32的传感器值的信号处理的一部分可移置到所述中央的马达控制器12中。由于自身的放大以及所述CHEMFET传感器的传感器信号的较好的信噪比，所述传感器信号可以直接由所述中央的马达控制器来呈现并且继续处理。在此，一模拟的或数字的数据电流被直接传递到所述中央的马达控制器12中，或一数字的数据电流可以经由SENT接口或PSI5接口直接导入到所述中央的马达控制器12中。由此取消了用于为了传递到所述中央的马达控制器12上而进行的所述排气传感器装置30的传感器信号的信号放大和/或信号处理的传感器控制单元20。0027在另一种未示出的实施例中，所述信号处理可集成在所述排气传感器装置30的一第二传感器芯片上。在此，用于信号处理的简单的电路可以在一第二传感器芯片中直接集成在插头中。由此不需要在所述排气系统10中的用于一传感器控制单元20的额外的结构空间，由此能够构造出紧凑的排气系统。此外，所述排气系统10由于缺少了传感器控制单元20而更不易被干扰。说明书CN104047693A1/2页8图1图2说明书附图CN104047693A2/2页9图3说明书附图CN104047693A。