DE69705021T2

DE69705021T2 - Wasserstoffdünnschichtsensor

Info

Publication number: DE69705021T2
Application number: DE69705021T
Authority: DE
Inventors: Yang-Tse Cheng; Mark Alexander Meltser; Andrea A. Poli
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: US5886614A; DE69705021D1; EP0871029B1; EP0871029A3; EP0871029A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Dünnschicht- Wasserstoffsensor.
Abfühlelemente für einige bekannte Wasserstoffsensoren verwenden Materialien, deren elektrische Eigenschaften als Reaktion auf eine Menge an Wasserstoffgas sich ändern, dem das Abfühlelement ausgesetzt ist. Eine Klasse solcher Materialien schließt Metalle ein, die, wenn sie auf eine Dünnschicht abgeschieden werden, einen Widerstand haben, der in Bezug auf eine Menge an in das Metall absorbierten Wasserstoffatomen variiert, welche von der Menge an Wasserstoff abhängt, die in Gasen vorhanden ist, denen die Dünnschicht ausgesetzt ist. Beispielhafte Metalle, die auf das Vorhandensein von Wasserstoff ansprechen und zur Verwendung eines Dünnschicht-Abfühlelements geeignet sind, schließen Palladium oder bekannte Palladiumlegierungen in Kombination mit einer Schicht aus einem oder mehreren der folgenden Elemente ein: Ti, Cr, Nb, Hf, Mo, Zr, Au, Ag, Pt, Rh, Ni und/oder deren Legierungen und dergleichen.
EP-A-768 528 offenbart einen Sensor für Wasserstoff mit einem elektrisch isolierenden Substrat, das dünne amorphe Filme trägt, die den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom Verhältnis zur Wasserstoffmenge ändern.
JP-A-60194347 offenbart Dünnschichten amorpher Legierungen zur Verwendung in einem Wasserstoffgassensor.
US-A-5,367,283 offenbart ein Wasserstoffsensorelement mit einem Substrat und einer Dünnschichtmetallisierung, diedarauf abgeschieden wurde, um auf ihm mindestens zwei Widerstände zu bilden.
Der Artikel von K. L. Hughes at al.: "Calibration of an integrated hydrogen gas-sensing System" in Sensors and Acutators, B37 (1996), 75-81, lehrt ein Kalibrierungsmodell eines integrierten Abfühlsystems für Wasserstoffgase, das Heizeinrichtungen in Verbindung mit einem Temperatursensor nutzt.
GB-A-2044491 lehrt eine Steuerschaltung, die einen temperaturgesteuerten Oszillator zum Steuern eines Heizmittels enthält, um die Temperatur eines Halbleitergassensors zu steuern.
DE-A-30 25 985 lehrt ein Gasabfühlsystem mit einem optoelektronischen Koppler, der zwischen einem Spannungs- Prequenz-Transformator und einem Verstärker vorgesehen ist, um eine Potentialtrennung zu liefern, während eine Heizeinrichtung mit einem Spannungsstabilisator direkt gekoppelt ist.
Horowitz & Hill: "The art of Electronics", S. 595-598, enthält eine allgemeine Diskussion elektrischer Isolatoren. US-H-4,453,397 offenbart einen Gase nachweisenden Sensor mit einem keramischen Basiselement, worin ein Gasabfühlelement und ein Temperaturabfühlelement miteinander elektrisch verbunden sind.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, einen Dünnschicht- Wasserstoffsensor nach Anspruch 1 zu schaffen.
Diese Erfindung schafft vorteilhafterweise einen Dünnschicht-Wasserstoffsensor mit einem verbesserten Betriebstemperaturbereich im Vergleich zu bekannten Wasserstoffsensoren die Abfühlelemente aus Dünnschichtmetallen nutzen.
Diese Erfindung schafft vorteilhafterweise einen Wasserstoffsensor mit einer Überwachungs- und Steuerschaltung dafür, die eine genaue und stabile Temperatursteuerung des Sensors aufrechterhält, was eine Genauigkeit und Sicherheit des Sensors verbessert.
Diese Erfindung schafft einen Dünnschicht-Wasserstoffsensor, in welchem eine Überwachungsschaltung zum Überwachen eines auf Temperatur ansprechenden Widerstands und zum Überwachen eines auf Wasserstoff ansprechenden Widerstands vorgesehen ist. Es ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die auf die Überwachungsschaltung anspricht und von dieser elektrisch isoliert ist, um eine Steuerung für die Heizeinrichtung des Sensors bereitzustellen, um eine Regelung der Heizeinrichtung in einer geschlossenen Schleife und einen Betrieb des Sensors bei einer gewünschten Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten.
Diese Erfindung schafft in vorteilhafter Weise einen Dünnschicht-Wasserstoffsensor, der zur Verwendung in einer Brennstoffzellenumgebung und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung geeignet ist.
Diese Erfindung liefert einen Dünnschicht-Wasserstoffsensor mit einem im wesentlichen flachen keramischen Substrat mit ersten und zweiten planaren Seiten und einem ersten Substratende, das einem zweiten Substratende gegenüberliegt; einem auf Temperatur ansprechenden Dünnschichtwiderstand auf der ersten planaren Seite des Substrats in unmittelbarer Nähe zum ersten Substratende; einen auf Wasserstoff ansprechenden Dünnschicht-Metallwiderstand auf der ersten planaren Seite des Substrats in unmittelbarer Nähe zum ersten Substratende und in unmittelbarer Nähe zum auf Temperatur ansprechenden Widerstand; und eine Heizeinrichtung auf der zweiten planaren Seite des Substrats in unmittelbarer Nähe zum ersten Ende.
In einem bevorzugten Beispiel liegen auf der ersten planaren Seite des Substrats der auf Temperatur ansprechende Widerstand und der auf Wasserstoff ansprechende Metallwiderstand äquidistant von einer Mittellinie, die längs über das Substrat verläuft, und äquidistant von ersten und zweiten längs gerichteten Kanten des Substrats. Der auf Temperatur ansprechende Widerstand und der auf Wasserstoff ansprechende Dünnschicht-Metallwiderstand bedecken jeweils im wesentlichen gleiche Flächen des Substrats, und die Heizeinrichtung auf der zweiten planaren Seite des Substrats ist symmetrisch bezüglich der longitudinalen Mittellinie. Diese Struktur stellt sicher, daß durch die Heizeinrichtung erzeugte Wärme gleichmäßig zu dem auf Temperatur ansprechenden Widerstand und dem auf Wasserstoff ansprechenden Widerstand abstrahlt, so daß der auf Temperatur ansprechende Widerstand eine Ausgabe liefert, die die Temperatur des auf Wasserstoff ansprechenden Widerstands genau repräsentiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Verweis auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Beispiel einer temperaturabhängigen Antwort eines Wasserstoff-Abfühlelements aus einem Dünnschichtmetall veranschaulicht;
Fig. 2 eine erste Ansicht eines beispielhaften planaren Wasserstoffsensors gemäß dieser Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 eine Vergrößerung eines Teils des in Fig. 2 gezeigten beispielhaften Sensors veranschaulicht;
Fig. 4 eine zweite Ansicht des in Fig. 2 dargestellten beispielhaften planaren Wasserstoffsensors veranschaulicht; und
Fig. 5 eine beispielhafte Schaltung zur Verwendung mit dem in den Fig. 2-4 gezeigten Sensor veranschaulicht.
Nun bezugnehmend auf Fig. 1 veranschaulicht der dargestellte Graph eine beispielhafte Antwort eines Wasserstoffsensors, der ein Wasserstoffabfühlelement mit einem Dünnschicht-Metallwiderstand nutzt. Die graphische Darstellung stellt die Antwort des Abfühlelements gegen veränderliche Prozentanteile an Wasserstoff für verschiedene Betriebstemperaturen des Sensors graphisch dar. Das Ausgangssignal wird unter Verwendung des auf Wasserstoff ansprechenden Dünnschicht-Metallwiderstandes erhalten, der in einer Brücke aus vier Widerständen mit dem Ausgangspegel des Sensors verbunden ist, der die Spannungsabgabe der Brücke repräsentiert. Kurven 10, 12, 14 und 16 repräsentieren die Antwort des Wasserstoffabfühlelements, wenn der Sensor bei 30, 50, 70 bzw. 90ºC gehalten wird, was die temperaturabhängige Eigenschaft der Antwort des auf Wasserstoff ansprechenden Dünnschicht-Widerstandsabfühlelements veranschaulicht.
Eine andere Eigenschaft der Antwort des auf Wasserstoff ansprechenden Abfühlelements mit einem Dünnschicht-Metallwiderstand, die in der graphischen Darstellung in Fig. 1 nicht veranschaulicht ist, ist, daß die Antwortzeit des Abfühlelements abnimmt, während die Betriebstemperatur des Abfühlelements zunimmt. Mit anderen Worten, der Sensor antwortet schneller bei höheren Betriebstemperaturen.
Nun ist bezugnehmend auf Fig. 2 ein beispielhafter Wasserstoffsensor 30 gemäß dieser Erfindung dargestellt. Der Sensor 30 enthält ein keramisches Substrat 32 mit einer ersten planaren Oberfläche 50. Die bevorzugte Form des Substrats ist das dargestellte langgestreckte Rechteck, das erste und zweite gegenüberliegende Substratenden 33 und 35 und parallele längsgerichtete Kanten 37 und 39 bildet, die zwischen den ersten und zweiten Enden 33 und 35 verlaufen. Die planare Oberfläche 50 des Substrats 32 trägt den (im folgenden auch als Abfühlelement 34 bezeichneten) auf Temperatur ansprechenden Widerstand 34, den (hierin auch als Abfühlelement 36 bezeichneten) auf Wasserstoff ansprechenden Widerstand 36, den zentralen gemeinsamen Leiter 40 und die separaten Leiter 38 und 50. Der auf Temperatur ansprechende Widerstand 34 weist eine Dünnschicht aus Metall wie z. B. Platin auf, die durch irgendein geeignetes Verfahren einschließlich einer Elektronenstrahlabscheidung, eines Farbdrucks oder eines anderen geeigneten Verfahrens auf das Substrat 32 aufgetragen wurde. Der auf Wasserstoff ansprechende Widerstand 36 kann ähnlich auch durch Elektronenstrahlverdampfung, Farbdruck oder ein anderes geeignetes Verfahren auf das Substrat 32 aufgebracht sein. Viele beispielhafte geeignete Konstruktionen für den auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstand 36 sind dem Fachmann bekannt, und bevorzugte Beispiele schließen eine Schicht aus Palladium, die über einer Schicht aus Platin abgeschieden wurde, oder eine Schicht aus Palladium, die über einer aus Ni&sub5;&sub2;Zr&sub4;&sub8; bestehenden Legierung abgeschieden wurde, ein.
Am zweiten Ende 35 des Substrats 32 werden Platinanschluß-Kontaktstellen 44, 46 und 48, die durch irgendein geeignetes bekanntes Verfahren abgeschieden wurden, genutzt, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Leitern 38, 40 und 42 und (nicht dargestellten) elektrischen Anschlüssen einer bekannten Bauart herzustellen, mit denen das Ende 35 des Substrats 32 in Verbindung steht. Das nicht-poröse Substrat 32 ist vorzugsweise Aluminiumoxid (d. h. 96% rein) und wird durch geeignetes Sintern eines Rohlings (green body) aus Aluminiumpartikeln, Binder und Schmiervorrichtungen erhalten, die bekanntlich beispielsweise von Bandgußteilen gebildet werden. Das Abfühlelement 34, 36, die Leiter 38, 40 und 42 und die Kontaktierungsflecke 44, 46, 48 können auf das Substrat aufgebracht werden, nachdem das Substrat gesintert ist, und dann bei der (den) gewünschten Temperatur(en) gesintert werden oder können auf das Substrat 32 aufgebracht werden, wenn es ein Rohling ist, bevor es gesintert wird, und dann gemeinsam mit dem Substrat gesintert werden.
Die gesamte Oberfläche 50 mit Ausnahme der Abfühlelemente 34 und 36 wird mit einer dichten Aluminiumoxidbeschichtung bedeckt, die die Kontaktierungsflecke 44, 46 und 48 aus Platin freiläßt. Die dichte Aluminiumoxidbeschichtung kann durch irgendein bekanntes Verfahren aufgebracht werden, einschließlich eines Flammsprühens oder durch Aufbringen als separate Rohlingschicht, die auf das Substrat 50 laminiert und damit dann gesintert wird. Sowohl das Flammsprüh- als auch das Laminierungsverfahren sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Flachstrukturkeramik bekannt.
Nun auch auf Fig. 3 bezugnehmend ist die gesamte Struktur der ersten planaren Seite des Abfühlelements 32, insbesondere auf dem Ende 33 des Substrats 32 bezüglich der longitudinalen Mittellinie 31 des Substrats symmetrisch. Insbesondere befinden sich die Abfühlelemente 34 und 36 im wesentlichen in gleichen Abständen 154 und 156 von der longitudinalen Mittellinie 31. Das Abfühlelement 34 weist ferner eine Breite 158 und eine Länge 162 auf, die im wesentlichen gleich der Breite 160 und Länge 164 des Abfühlelements 36 sind, so daß beide Abfühlelemente 34 und 36 im wesentlichen gleiche Oberflächenbereiche der Oberfläche 50 des Substrats 32 bedecken. Die Abfühlelemente 34 und 36 befinden sich in gleichen Abständen 150 und 152 von den Kanten 37 und 39 des Substrats 32 und in gleichen Abständen 166 und 168 von der Kante 41 des Substrats 32. Beide Abfühlelemente 34 und 36 sind mit der longitudinalen Mittellinie 31 identisch parallel ausgerichtet. Man sieht auch, daß die Struktur der Leiter 38, 40 und 42 bezüglich der longitudinalen Mittellinie 31 symmetrisch ~ ist. Der Leiter 40 mit einer symmetrischen T-Form ist auf der Mittellinie 31 zentriert, und die Leiter 38 und 42 liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie 31 diametral gegenüber.
Nun auch bezugnehmend auf Fig. 4 ist auf der zweiten planaren Oberfläche 52 des Substrats 32 ein serpentinenartiges Heizelement 62 z. B. aus Dünn- oder Dickschichtplatin mit den Leitern 58 und 60 gekoppelt, deren Enden 54 und 56 am Ende 35 des Substrats als Kontaktanschlüsse dienen, um eine elektrische Verbindung mit einem Verbinder einer bekannten Bauart zu schaffen. Die Leiter 58 und 60 sind im wesentlichen breiter als die Leiter 38, 40 und 42 (Fig. 2) ausgebildet, um zu ermöglichen, daß die Leiter 58 und 60 die Strommenge tragen, die notwendig ist, um die Heizeinrichtung 62 bei der gewünschten Temperatur (d. h. 300ºC oder höher) zu betreiben.
Die Heizeinrichtung 62 und Leiter 58 und 60 sind auch bezüglich der Mittellinie 31 des Sensors 30 symmetrisch. Diese Struktur stellt ein gleichmäßiges Erhitzen beider longitudinalen Hälften des Sensors 30 auf jeder Seite der longitudinalen Mittellinie 31 sicher.
Die symmetrische Struktur auf der ersten planaren Oberfläche 50, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sorgt zusätzlich für gleiche Wärmeübertragungsprofile des Sensors 30 auf jeder Seite der Mittellinie 31. Die Abfühlelemente 34 und 36 weisen jeweils gleiche Heizprofile bezüglich der longitudinalen Mittellinie 31 auf, weil sie zusammen mit der Heizeinrichtung 62 bezüglich der longitudinalen Mittellinie 31 symmetrisch positioniert und geformt sind. Somit ist die Temperatur, der der auf Temperatur ansprechende Widerstand mit dem Abfühlelement 34 ausgesetzt ist, gleich der Temperatur, der der auf Wasserstoff ansprechende Widerstand mit dem Abfühlelement 36 ausgesetzt ist. Diese Struktur stellt sicher, daß die von dem Abfühlelement 34 abgefühlte Temperatur die Temperatur des Abfühlelements 36 in sowohl thermisch statischen als auch thermisch dynamischen Zuständen repräsentiert.
Der Leiter 40 ist durch sein T-förmiges Ende 43 mit einem ersten Ende des Abfühlelements 34 und einem ersten Ende des Abfühlelements 36 verbunden. Der Leiter 38 ist mit dem zweiten Ende des Abfühlelements 34 verbunden, und der Leiter 42 ist mit dem zweiten Ende des Abfühlelements 36 verbunden.
Bezugnehmend nun auf Fig. 5 umfaßt die beispielhafte Schaltungsanordnung eine Stromversorgungsschaltung 11 zum Liefern von Leistung an die Heizeinrichtung 62 und Überwachungsschaltungen 70 und 72 zum überwachen der Ausgabe der Abfühlelemente 34 und 36. Die Überwachungsschaltung 72 enthält eine Widerstandsbrücke mit einem Widerstand 86 in Reihe mit dem auf Wasserstoff ansprechenden Widerstand 36, der zwischen eine Versorgungsleitung 47 mit regulierter Spannung und eine Erdungsschaltung 84 geschaltet ist, und ein Paar Widerstände, die durch die Abschnitte des Widerstands 88 auf jeder Seite des Mittenabgriffs 92 dargestellt sind. Der Widerstand 88 ist auch zwischen die Versorgungsleitung mit regulierter Spannung und die Erdung gekoppelt.
Da der Widerstand 86 festgelegt ist und die beiden Widerstände 88 festgelegt sind, ändert sich die Ausgabe der Brücke auf Leitungen 90, 92 mit dem Widerstand des Abfühlelements 36, der sich mit der Menge an Wasserstoff in der Atmosphäre ändert, der das Abfühlelement 36 ausgesetzt ist. Die Signale auf den Leitungen 90 und 92 werden in einen Differenzverstarker 124 eingespeist, der ein Ausgangssignal auf Leitung 93 liefert, das den Wasserstoffgehalt der Atmosphäre angibt, der das Ende 33 des Sensors 30 ausgesetzt ist.
Die Überwachungsschaltung für den auf Temperatur ansprechenden Widerstand mit dem Abfühlelement 34 enthält auch eine Widerstandsbrücke mit einem Widerstand 76 und einem Abfühlelement 34, die in Reihe geschaltet sind, und die beiden Widerstände des Widerstandes 78 auf beiden Seiten des Mittenabgriffs 82, der parallel zum Widerstand 76 und Abfühlelement 34 zwischen die Versorgungsleitung 74 mit fester Spannung und die Erdung 84 gekoppelt ist. Da der Widerstand 76 festgelegt ist und die beiden Widerstände des Widerstands 78 auf jeder Seite des Mittenabgriffs 84 festgelegt sind, spricht die Ausgabe der Brücke auf den Leitungen 80 und 82 auf den Widerstand des Abfühlelements 34 an, der sich mit der Temperatur am Ende 33 des Substrats 32 ändert.
Die Signale über die Leitungen 80 und 82 werden in einen Verstärker 94 eingegeben, der eine auf die Differenz in Spannungspegeln auf den Leitungen 80 und 82 ansprechende Ausgabe liefert. Der Ausgang der Verstärker 94 ist mit einem Verstärker 96 verbunden, der das Signal weiter verstärkt und das weiter verstärkte Signal an den Eingang einer PWM-Schaltung 98 liefert. Die PWM-Schaltung 98 ist eine Schaltung einer bekannten Art, die an ihrer Ausgangsleitung 100 ein pulsbreitenmoduliertes Signal liefert, das auf die Spannung am Eingang anspricht. Die Ausgabe der PWM-Schaltung 98 auf Leitung 100 ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal, das auf die Temperatur des Endes 33 des Substrats 32 anspricht, wie sie durch das Abfühlelement 34 abgefühlt wird, und ist über einen Widerstand 102 und eine Leitung 104 mit der Lichtquelle 108 eines optischen Kopplers 106 gekoppelt.
Der optische Koppler 106 ist eine Vorrichtung bekannter Bauart zum Übertragen eines Steuersignals wie z. B. eines PWM- Signals auf Leitung 104 von einer Steuerschaltung mit einer Stromversorgung, z. B. der Stromversorgungsleitung 74 mit regulierten fünf Volt, zu einer Leistungsquelle mit einer getrennten Stromversorgung, z. B. der Stromversorgungsleitung 114 mit 12 Volt. Der optische Koppler 106 enthält eine Festkörperschaltvorrichtung wie z. B. einen Transistor 110, der auf die optische Abgabe einer Lichtquelle 108 ansprechend ein- und ausschaltet, während die Lichtquelle 108 ein- und ausgeschaltet wird. Der Transistor 110 ist über einen Widerstand 112 mit der Versorgungsleitung 114 mit 12 Volt gekoppelt und ist auch mit dem Gate-Eingang eines Leistungs-FETs 118 mit einer Diode 116 gekoppelt, die zum Sperrspannungsschutz vorgesehen ist.
Die Pulsbreitenmodulation der Lichtquelle 108 über das Signal auf Leitung 104 moduliert wiederum über die Pulsbreite den Transistor 110, der das Steuer-Gate des FET 118 über die Pulsbreite moduliert. Der FET 118 moduliert die an die Heizeinrichtung 62 gelieferte Leistung über die Pulsbreite, welche zwischen die Versorgungsleitungen 114 mit 12 Volt und die Leitung 120 gekoppelt ist, wobei der Leistungs-FET 118 selektiv mit der Erdung 122 koppelt.
Diese Anordnung schafft eine ständige Rückkopplung der Steuerung der Heizeinrichtung 62 über die Temperatur des Endes 33 des Substrats 32, wie sie durch das Abfühlelement 34 abgefühlt wird. Die Zieltemperatur, auf die die Heizeinrichtung 62 gesteuert wird, wird durch die Lage des Mittenabgriffs 82 im Widerstand 78 eingestellt (offensichtlich kann der Widerstand 78 durch zwei getrennte Widerstände ersetzt werden).
Durch die dargestellte Schaltungsstruktur sind die Abfühlelemente 34 und 36 auf der Oberfläche 50 des Substrats 32 nur mit einer Schaltungsanordnung verbunden, die mit der regulierten Stromversorgungsleitung 71 gekoppelt ist, und sind von der Stromversorgungsleitung 114 und der Stromversorgungsschaltung 71 für die Heizeinrichtung 62 elektrisch isoliert. Dies ist der Fall, selbst wenn die Leistung an die Heizeinrichtung 62 von der Stromversorgungsschaltung 71 durch die Überwachungsschaltung 70 gesteuert wird.
Der Vorteil der pulsbreitenmodulierten Steuerung für die Heizeinrichtung, die dargestellt wurde, ist, daß die Temperatur durch Variationen des Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Steuersignals kontinuierlich gesteuert wird, das von der Überwachungsschaltung 70 abgegeben wird. Das heißt, das pulsbreitenmodulierte Steuersignal wird ständig angelegt, es sei denn, die Temperatur des Endes 33 des Substrats 32 ist höher als die durch Leitung 82 über den Mittenabgriff auf dem Widerstand 78 eingestellte Temperatur. Wenn die durch das Abfühlelement 34 abgefühlte Temperatur unterhalb der durch Leitung 82 eingestellten Zieltemperatur liegt, nimmt der Arbeitszyklus auf Leitung 104 zu, je weiter die durch das Abfühlelement 34 abgefühlte Temperatur von der durch Leitung 82 festgelegten Zieltemperatur liegt. Diese kontinuierliche Steuerung der Heizeinrichtung eliminiert Fluktuationen, die Heizeinrichtungen zur Folge haben können, die als Antwort auf eine abgefühlte Temperatur unstetig eingeschaltet und ausgeschaltet werden.
Außerdem ist der Schaltmodus der Leistungsabgabe, der durch die PWM-Steuerung geliefert wird, für Umgebungen wie z. B. Brennstoffzellenstapel oder wie z. B. in Brennstoffzellen geeignet, die in Kraftfahrzeugen enthalten sind, in welchen die Hochleistungsversorgungsleitung, d. h. die Versorgungsleitung 114 mit 12 Volt, einer Schwankung mit den Fahrzeug- und anderen Lastlaufzuständen ausgesetzt ist.

Claims

1. Dünnschicht-Wasserstoffsensor mit:

einem im wesentlichen flachen keramischen Substrat (32);

einem auf Temperatur ansprechenden Dünnschichtwiderstand (34) auf einer ersten planaren Seite (50) des Substrats (32) in unmittelbarer Nähe zu einem ersten Substratende (33),

einem auf Wasserstoff ansprechenden Dünnschicht-Metallwiderstand (36) auf der ersten planaren Seite (50) des Substrats (32) in unmittelbarer Nähe zum ersten Substratende (33) und in unmittelbarer Nähe zum auf Temperatur ansprechenden Widerstand (34);

einer Heizeinrichtung (62) auf einer zweiten planaren Seiten (52) des Substrats (32) in unmittelbarer Nähe zum ersten Substratende (33);

einer Überwachungsschaltung (70, 72), die mit dem auf Temperatur ansprechenden Widerstand (34) und dem auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstand (36) gekoppelt ist; und

einer Stromversorgungsschaltung (71), die mit der Heizeinrichtung (62) gekoppelt ist, wobei die Stromversorgungsschaltung (71) von der Überwachungsschaltung (70, 72) elektrisch isoliert ist und auf die Überwachungsschaltung (70, 72) anspricht, um an die Heizeinrichtung (62) Leistung zu liefern, wobei die Heizeinrichtung (62) gesteuert wird, um das erste Substratende (33) bei einer gewünschten Arbeitstemperatur des auf Wasserstoff ansprechenden Dünnschicht-Metallwiderstands (36) zu halten.

2. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 1, worin die Überwachungsschaltung (70, 72) enthält:

eine erste Widerstandsbrückenschaltung, die den auf Temperatur ansprechenden Widerstand (34) und erste und zweite Brückenwiderstände (76, 78) enthält;

eine zweite Widerstandsbrückenschaltung, die den auf Wasserstoff ansprechenden Widerstand (36) und dritte und vierte Brückenwiderstände (86, 88) enthält.

3. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 2, ferner aufweisend:

einen ersten Differenzverstärker (94) innerhalb der Überwachungsschaltung (70, 72), der auf die erste Widerstandsbrückenschal tung anspricht und ein Ausgangssignal liefert, das eine Temperatur des ersten Substratendes (33) anzeigt;

eine Steuerschaltung (98) zur Pulsbreitenmodulation innerhalb der Überwachungsschaltung (70, 72), die auf die Abgabe des ersten Differenzverstärkers (94) anspricht und eine Abgabe eines pulsbreitenmodulierten Signals liefert;

einen Signalkoppler (106), der eine Lichtquelle (108) und einen optisch gesteuerten Halbleiterschalter (110) enthält, wobei die Lichtquelle (108) mit der Abgabe eines pulsbreitenmodulierten Signals gekoppelt ist; und worin

die Stromversorgungsschaltung (71) mit dem Halbleiterschalter (110) gekoppelt ist, der auf die Lichtquelle (108) ansprechend ein pulsbreitenmoduliertes Leistungssignal an die Heizeinrichtung (62) liefert.

4. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 3, ferner aufweisend: einen zweiten Differenzverstärker (124) innerhalb der Überwachungsschaltung (70, 72), wobei der zweite Differenzverstärker (124) auf die zweite Widerstandsbrückenschaltung anspricht und ein Ausgangssignal liefert, das eine Wasserstoffmenge angibt, der das erste Ende (33) des Substrats (32) ausgesetzt ist.

5. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 1, worin auf der ersten planaren Seite (50) der auf Temperatur ansprechende Widerstand (34) und der auf Wasserstoff ansprechende Metallwiderstand (36) von einer in Längsrichtung durch das Substrat (32) verlaufenden Mittellinie (31) gleich weit entfernt liegen und von ersten und zweiten längsgerichteten Rändern (37, 39) des Substrats (32) gleich weit entfernt sind, wobei der auf Temperatur ansprechende Widerstand (34) und der auf Wasserstoff ansprechende Metallwiderstand (36) jeweils im wesentlichen gleiche Flächen des Substrats (32) bedecken und bezüglich der Mittellinie (31) diametral gegenüberliegen, wobei die Heizeinrichtung (62) auf der zweiten planaren Seite (52) des Substrats (32) bezüglich der Mittellinie (31) symmetrisch ist, was ermöglicht, daß von der Heizeinrichtung (62) erzeugte Wärme in im wesentlichen gleichen Pegeln zu dem auf Temperatur ansprechenden Widerstand (34) und dem auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstand (36) strahlt, so daß der auf Temperatur ansprechende Widerstand (34) eine Ausgabe liefert, die eine Temperatur des auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstands (36) darstellt.

6. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 1, ferner aufweisend:

einen ersten Leiter (40), der ein erstes Ende des auf Temperatur ansprechenden Widerstands (34) und ein erstes Ende des auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstands (36) verbindet und entlang der ersten planaren Seite (50) vom ersten Substratende (33) zum zweiten Substratende (35) verläuft, wobei der erste Leiter (40) in Längsrichtung auf einer Mittellinie (31) zentriert ist, die in Längsrichtung durch das Substrat (32) verläuft;

einen zweiten Leiter (38), der ein zweites Ende des auf Temperatur ansprechenden Widerstands (34) verbindet und entlang der ersten planaren Seite (50) vom ersten Substratende (33) zum zweiten Substratende (35) verläuft; und

einen dritten Leiter (42), der ein zweites Ende des auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstands (36) verbindet und entlang der ersten planaren Seite (50) vom ersten Substratende (33) zum zweiten Substratende (35) verläuft, wobei der zweite und dritte Leiter (38, 42) bezüglich der Mittellinie (31) in Längsrichtung diametral gegenüberliegen.

7. Dünnschicht-Wasserstoffsensor nach Anspruch 6, worin der erste Leiter (40) ein Leiterende (43) enthält, das in erste und zweite Richtungen seitlich verläuft, um eine zur Mittellinie (31) symmetrische T-Form zu bilden, wobei das Leiterende (43) die Verbindungen zum Temperaturwiderstand (34) und zum auf Wasserstoff ansprechenden Metallwiderstand (36) bildet.