用于运行用于感测测量气体的至少一个特性的传感器的电子控制单元的制作方法

用于运行用于感测测量气体的至少一个特性的传感器的电子控制单元


背景技术：

1.由现有技术已知用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的多种传感器和方法。在此，这原则上能够是测量气体的任意的物理特性和/或化学特性，其中，能够感测一个或者多个特性。下面尤其参照对测量气体的气体组分的定性感测和/或定量感测来描述本发明，尤其参照对测量气体部分中的氧气分量的感测来描述。氧气分量能够例如以分压的形式和/或以百分比的形式感测。然而，替代地或附加地，也能够感测测量气体的其他特性，例如温度。
2.由现有技术尤其已知具有陶瓷传感器元件的传感器，所述陶瓷传感器元件基于确定的固体的电解特性的使用，即基于该固体的传导离子的特性。这些固体尤其能够是陶瓷固体电解质，例如二氧化锆(zro2)，尤其是钇稳定的二氧化锆(ysz)和钪掺杂的二氧化锆(scsz)，其能够含有少量的氧化铝(al2o3)和/或氧化硅(sio2)的添加。
3.这种类型的传感器例如能够构型为所谓的λ探针，例如由konrad reif(编者)：sensoren im kraftfahrzeug，2010年第一版，第160至165页已知的那样。借助宽带λ探针、尤其是借助平面的宽带λ探针，能够例如在大范围中确定废气中的氧气浓度并且由此推断出燃烧室中的空气燃料比。空气系数λ描述该空气燃料比。
4.宽带λ探针测量该氧气浓度或者测量气体中的还原剂的浓度。为了以排放优化的方式运行内燃机，废气中的剩余氧气的信息是非常重要的。为了运行宽带λ探针，将该宽带λ探针附接到控制器的专门为此目的而创建的分析处理模块(asic)上。asic的主任务是，将在参考电极与内泵电极之间测量的能斯特电压调节为一定的目标值，该目标值通常是450mv。调节能斯特电压所应使用的调设参量是必须由asic在外泵电极与内泵电极之间驱动的泵电流。如果能斯特电压接近其目标值，则为此所需要的泵电流是用于废气中的氧气浓度的量度。因此，泵电流的准确确定是准确确定废气中的o2浓度的必然前提。
5.泵电流源从能斯特电压调节器接受数字的期望泵电流值，然后应通过探针驱动该能斯特电压调节器。驱动连续的、能调设的电流的电流源也被称为dac电流源。
6.尽管由现有技术已知的传感器和用于运行所述传感器的方法具有优点，其仍然具有改进潜力。不同的宽带λ探针构成非常不同的调节段(regelstrecken)，所述调节段需要分别适配于其的能斯特电压调节器。在此，不仅需要调整调节器参数，还需要调整调节器结构。在此，能斯特电压调节器在现在的asic中固定地在该asic的硬件中实现。对调节器结构的改变意味着通过制造新的掩膜来修改asic。只能够通过软件来调整调节器参数。对包括分辨率在内的调节器结构的调整只能够通过硬件修改实现。这种类型的修改是费事且昂贵的。


技术实现要素：

7.因此，提出一种用于运行用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器的电子控制单元，该电子控制单元至少在很大程度上避免已知的操控及分析处理电路
的缺点，并且在该电子控制单元中能够实现对能斯特电压调节器的调节器结构的快速且成本有利的调整，例如能够实现适配于不同探针。
8.根据本发明的用于运行用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器的电子控制单元包括操控与分析处理电路和微控制器，该传感器具有用于感测测量气体的特性的传感器元件，其中，该传感器元件具有固体电解质、至少一个泵电池和至少一个能斯特电池。微控制器与分析处理电路连接。微控制器还具有能斯特电压调节器，该能斯特电压调节器用于调节能斯特电池的能斯特电压。
9.相应地，提出能斯特电压调节器从操控及分析处理电路(例如asic)到微控制器中的转移。在此，调节结构和字宽的变化能够成本有利且快速地实现。不需要硬件修改。这允许节省asic中的资源。在asic中不需要运算器，因为微控制器的资源用于调节器的计算。此外，能够实现asic的更简单的整体结构。
10.尤其是，能斯特电压调节器能够在微控制器的软件中实现。在此，调节结构和字宽的变化能够通过调整软件而成本有利且快速地实现。不需要硬件修改。
11.操控及分析处理电路能够是asic。asic(英语：application-specific integrated circuit＝专用集成电路)是实现为集成转换电路的电子电路。因此，asic的功能不再能够被改变，在高的一次性成本的情况下，制造成本较低。在此，能够实现asic中的计算需求的减少，该计算需求因此显得更小。相应需要的用于微控制器中的运算器的硅面积明显更小且因此更物美价廉，因为能够为数字结构优化微控制器的半导体工艺。
12.能斯特电压调节器的输入参量能够是能斯特电池的能斯特电压，其中，能斯特电压调节器的输出参量能够是用于泵电池的泵电流。因此，在微控制器中计算调节算法。调节器的输出值是以非常少的等待时间的方式在微控制器中可供使用的。该值是用于泵电流源的调设参量，该调设参量是宽度λ探针的主信号。由此计算λ信号，该λ信号因此是以不具有或者说具有非常少的等待时间的方式在微控制器中可供使用的。因此，即使在高的行驶动态的情况下，仍然能够实现精确的λ调节，这尤其在真实行驶排放中提供优点。
13.电子控制单元还能够包括模拟数字转换器，该模拟数字转换器构造用于感测能斯特电池的能斯特电压。因此，用于能斯特电压调节器的输入参量能够以简单的方式作为数字参量示出。
14.该操控与分析处理电路能够具有模拟数字转换器，其中，微控制器具有数据接口，其中，能够借助该数据接口将感测到的能斯特电压传输给该微控制器。在该实施例中，模拟数字转换器位于界面asic中。在asic中感测电压值并且将所述电压值通过数据接口传输给微控制器。
15.替代地，微控制器能够具有模拟数字转换器。因此，直接在微控制器中感测能斯特电压值，因此，所述能斯特电压值是直接在微控制器中可供使用的。
16.能斯特电压调节器的输出参量能够标明测量气体中的氧含量。因此，调节器的输出值是直接在微控制器中可供使用的。该值相应于测量气体(例如废气)中的氧含量，并且是λ调节所需要的。如果该值是以更低的等待时间可供使用的，则在高的行驶动态的情况下也仍然能够调节期望的λ值，并且因此能够实现更低的排放。
17.操控与分析处理电路能够具有数字模拟转换器，其中，能斯特电压调节器的输出参量能够提供给该数字模拟转换器。因此，数字输出参量能够转换为模拟参量，以便调设泵
电流源上的泵电流。
18.能斯特电压调节器的调节器结构能够是能够借助对能斯特电压调节器的源代码的调整来改变的。如果在微控制器中实现调节器，则能够随时通过调整代码文本使该调节器适配于新的要求。因此，调节器结构能够适配于新的要求，例如其他字宽、其他调节器类型。
19.在本发明的框架中，固体电解质体应理解为具有电解特性的、即具有传导离子特性(例如传导氧离子的特性)的主体或者物体。这尤其能够是陶瓷固体电解质。例如，固体电解质体能够具有稳定的二氧化锆和/或钪稳定的二氧化锆。固体电解质体也能够是由多个固体电解质层构成的。在此，层应理解为在一定高度的平面延展中的统一质量，该质量位于其他元件的上面、下面或者之间。
20.在本发明的框架中，电极通常理解为如下元件：该元件能够接触固体电解质，使得通过固体电解质和电极能够维持电流或者测量电压。与此相应地，所述电极能够包括如下元件：在该元件处能够将离子嵌入到固体电解质中和/或从固体电解质中拆出。典型地，所述电极包括贵金属电极，该贵金属电极例如能够作为金属陶瓷电极施加在固体电解质上或者能够以其他方式与固体电解质连接。典型的电极材料是铂金属陶瓷电极。但是，原则上也能够使用别的贵金属，例如金或钯。
21.在本发明的框架中，能斯特电池应理解为电化学测量电池，该电化学测量电池使用固体电解质作为两个电极之间的膜片。在此，利用固体电解质的如下特性：能够从确定的温度起将待测量的测量气体的离子(例如氧离子)以电解的方式从一电极运输至另一电极，由此产生所谓的能斯特电压。通过该特性，能够确定测量气体在膜片的不同侧上的分压的差。在λ探针的情况下，膜片的一侧暴露在测量气体中，而另一侧作为参考。
22.在本发明的框架中，泵电池应理解为如下电化学电池：在该电化学电池中，一方面通过经由扩散通道作用的测量气体确定测量间隙中的测量气体的组分(例如氧气)的含量，另一方面通过泵电池的电流影响所述含量。视极性而定，通过泵电流将测量气体从固体电解质膜片的测量气体侧泵送到测量间隙中或者说从该测量间隙中运送出去。在此，通过外部调节器调节泵电流，使得测量气体中的λ值通过扩散通道准确地补偿测量气体流，并且测量间隙中的测量气体恒定地保持在预确定的值，例如λ＝1。例如当能斯特电池上的电压为0.45v时，总是给定测量间隙中的为1的λ值。泵电流在丰富的混合气的情况下将测量气体离子泵送到测量间隙中的测量气体中，在贫乏的混合气的情况下将所述测量气体离子从该测量气体中泵送出来。
23.在本发明的框架中，微控制器应理解为半导体芯片，该半导体芯片包含处理器并且同时还包含外围功能。在许多情况下，工作存储器和程序存储器也部分地或者完全地位于同一芯片上。微控制器是单芯片计算机系统。对于很多微控制器而言，也使用术语“单芯片系统(system-on-a-chip)”或者soc。在现代微控制器上通常还存在复杂的外围功能，例如can(控制器区域网络，英语：controller area network)接口、lin(局域互联网络，英语：local interconnect network)接口、i2c(内置集成电路，英语：inter-integrated circuit)接口、spi(串行外围接口，英语：serial peripheral interface)接口、串行接口或者以太网接口、pwm输出端、lcd控制器和lcd驱动器以及模拟数字转换器(analog-digital-umsetzer)。一些微控制器还具有可编程的数字功能块和/或模拟功能块或者说混
合功能块。
24.在本发明的框架中，操控及分析处理电路应理解为电子电路、尤其是集成电路，其适用于分析处理传感器元件的测量信号或者处理所述测量信号以用于分析处理，并且在该传感器元件运行时基于获得的控制信号来控制该传感器元件。
25.在本发明的框架中，多路复用器应理解为在模拟的和数字的电子装置中的选择电路，借助该选择电路能够从多个输入信号中选择一输入信号并且将该输入信号接通到输出端上。多路复用器与旋转开关类似，所述旋转开关并非用手、而是借助电子信号来调设。与继电器的区别在于，所述连接不是以机械的方式实现的，而是(如今)通过集成半导体电路实现的。
附图说明
26.本发明的其他可选细节和特征由下面对优选实施例的描述得出，所述优选实施例在附图中示意性示出。
27.附图示出：
28.图1根据本发明的第一实施方式的电子控制单元，和
29.图2根据本发明的第二实施方式的电子控制单元。
具体实施方式
30.图1示出根据本发明的第一实施方式的电子控制单元10。电子控制单元10构造用于运行传感器100，该传感器用于感测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测测量气体中的气体组分的分量或者测量气体的温度。传感器100具有传感器元件102。在图1中示出的传感器元件102能够用于检验测量气体的物理特性和/或化学特性，其中，能够感测一个或者多个特性。下面尤其参照对测量气体的气体组分的定性感测和/或定量感测来描述本发明，尤其参照对测量气体中的氧气分量的感测来描述。氧气分量能够例如以分压的形式和/或以百分比的形式感测。然而，原则上也能够感测其他类型的气体组分，例如氮氧化物、碳氢化合物和/或氢气。然而，替代地和/或附加地，也能够感测测量气体的其他特性。本发明尤其能够在机动车技术领域中使用，因此，测量气体室尤其能够是内燃机的排气管路，测量气体尤其能够是废气。
31.传感器元件102包括固体电解质体或者说固体电解质104、泵电池106和能斯特电池108。该传感器元件能够通过引脚110电接触。传感器100仅示例性地构造为宽带λ探针，从而使得在其运行方式和更详细的构造方面能够参考上述现有技术，尤其能够参考konrad reif(编者)：sensoren im kraftfahrzeug，2010年第一版，第160至165页。
32.电子控制单元10包括操控与分析处理电路12。操控与分析处理电路12是asic。操控与分析处理电路12能够与传感器元件102的引脚110连接。例如，操控与分析处理电路12包括多路复用器14，该多路复用器与引脚110电接触。操控与分析处理电路12还包括模拟数字转换器16，该模拟数字转换器与多路复用器连接。模拟数字转换器16构造用于感测能斯特电池108的能斯特电压un。操控与分析处理电路12还包括数字模拟转换器18，该数字模拟转换器与多路复用器14的输出端或者说与引脚110中的至少一个引脚连接。
33.电子控制单元10还包括微控制器20。微控制器20与操控与分析处理电路12连接或
者说与该操控与分析处理电路通信。微控制器20包括能斯特电压调节器22，该能斯特电压调节器用于调节能斯特电池108的能斯特电压。能斯特电压调节器22在微控制器的软件24中实现。如图1所示，能斯特电压调节器的输入参量是能斯特电池108的能斯特电压un。能斯特电压调节器108的输出参量是用于泵电池106的泵电流i
p
。如进一步在图1中能够看出的那样，能斯特电压调节器22的输出参量标明测量气体中的氧含量，例如以lambda值λ的形式。能斯特电压调节器22的输出参量能够提供给数字模拟转换器18。微控制器20具有数据接口26，借助该数据接口能够将能斯特电压un作为测量信号传输给微控制器20。由于能斯特电压调节器222与常规控制单元相比不在asic中实现，而是在微控制器20或其软件24中实现，因此，能够借助对能斯特电压调节器22的源代码的调整来改变能斯特电压调节器22的调节器结构。
34.图2示出根据本发明的第二实施方式的电子控制单元10。下面仅描述与第一实施方式的区别，相同或者类似的构件设有相同的附图标记。在第二实施方式的电子控制单元10中，微控制器20具有模拟数字转换器16。因此，直接在微控制器20中感测能斯特电压值，因此，所述能斯特电压值是直接在微控制器20中可供使用的。
35.根据本发明的电子控制单元是能间接检验的。例如，能够进行对asic的数字部分的尺寸的分析。asic上的能斯特电压调节器需要具有确定的尺寸的数字部分。如果asic上的数字部分过小，则需要对微控制器中的能斯特电压调节器进行定位。在第二实施方式中，以与微控制器类似的方式或者数字地以相应高的频率进行能斯特电压的传输。在两种实施方式中，通过调设值i
p
的相应高频的传输进行传输。