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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur resistiven Bestimmung
von Konzentrationen leitfähiger
Partikel in Gasgemischen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Um
den Partikelausstoß eines
Dieselmotors zu reduzieren, kommen seit jüngerer Zeit Russpartikelfilter
zu Einsatz. Dabei werden, um die Wirksamkeit dieser Filter zu überwachen,
häufig
Sensoren eingesetzt, die den Partikelgehalt der den Filter passierenden
Abgase messen (On Bord Diagnose, OBD). Zu diesem Zweck kommt als
Sensortyp häufig ein
resistiver Partikelsensor zum Einsatz, der als Messgröße die Widerstandsänderung
einer interdigitalen Elektrodenstruktur durch Anlagerung von leitfähigen Russpartikeln
heranzieht. Aufgrund seiner Funktionsweise ordnet sich der resistive
Partikelsensor bei den sammelnden Prinzipien ein (vgl. z.B.
DE 10149333 A1 ,
WO 2003006976 A2 ).
Derzeit sind resistive Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei
denen zwei oder mehrere metallische Elektroden ausgebildet sind,
wobei die sich anlagernden Teilchen, insbesondere Russpartikel,
die kammartig ineinander greifenden Elektroden kurzschließen und
so mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorfläche ein
abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter
angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar wird.
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Der
gemessene Strom bzw. Widerstand kann mit der angelagerten Russmenge
und damit auch mit der im Abgas vorherrschenden Russpartikelkonzentration
korreliert werden. Dabei wird üblicherweise
ein Schwellwert definiert und die Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts
als Maß für die angelagerte
Russmenge genommen. Je schneller dieser Schwellwert erreicht wird,
desto höher
ist also die Russpartikelkonzentration im Abgas.
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Alternativ
kann als graduelles Mass für
die Russpartikelkonzentration auch der aktuelle Widerstandswert
des Sensors bzw. die Abnahme des Widerstandswertes über die
Zeit verwertet werden. Je mehr leitende Verbindungen zwischen den
Elektroden ausgebildet sind, desto geringer ist dabei der gemessene
Widerstand.
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Zur
Regeneration des Sensorelementes nach der Partikelanlagerung muss
das Sensorelement freigebrannt werden. Während des Freibrennens kann
der Sensor die Russmenge nicht erfassen.
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Für die Fertigung
der Interdigitalelektroden des Partikelsensors bietet sich die Siebdrucktechnik an.
Diese hat sich aus Wirtschaftlichkeitsgründen bewährt und liefert zuverlässige Sensoren.
Problem bei solchermaßen
hergestellten Sensoren ist es, dass der minimal mit dieser Technik
herstellbare Elektrodenabstand 50 μm beträgt. Noch feinere Strukturen lassen
sich nur noch mit photolithographischen Methoden herstellen. Die
Photolithographie benötigt aber
deutlich mehr Prozessschritte als die Siebdrucktechnik und kommt
daher aus Wirtschaftlichkeitsgründen
nicht in Frage.
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Aufgrund
des relativ hohen Elektrodenabstandes sind daher bei Sensoren aus
dem Stand der Technik relativ große Russmengen erforderlich,
um den oben genannten Schwellwert zu erreichen. Die betreffenden
Sensoren haben daher eine relativ geringe Messempfindlichkeit. Der
Zeitraum, bis dass eine leitende Verbindung zwischen zwei Elektroden hergestellt
und damit ein Messsignal generiert wird („Blindphase") ist daher vergleichsweise
lang.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur resistiven
Bestimmung von Konzentrationen leitfähiger Partikel in Gasgemischen bereitzustellen,
der eine höhere
Messempfindlichkeit und eine kürzere
Blindphase aufweist und gleichwohl kostengünstig in der Herstellung und
zuverlässig
im Betrieb ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
geben bevorzugte Ausführungsformen
an.
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Demnach
ist ein Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfähiger Partikel
in Gasgemischen vorgesehen, aufweisend eine dem Gasgemisch ausgesetzte
Oberfläche
mit mindestens zwei Elektroden, die beabstandet zueinander auf der Oberfläche angeordnet
sind, dergestalt, dass der Abstand zwischen den Elektroden durch
sich auf der Oberfläche
des Sensors ablagernde leitfähige
Partikel aus dem Gasgemisch überbrückbar und
auf diese Weise eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden
des Sensors herstellbar ist, aus der eine Messgröße für die Konzentration der leitfähigen Partikel
in dem Gasgemisch ableitbar ist. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens im Bereich zwischen den Elektroden ein Material
angeordnet ist, dass so gewählt
ist, dass es leitfähige
Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfähiger Partikel aus dem Gasgemisch
die Ausbildung einer leitfähigen
Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen, und auf diese Weise
die Auslösezeit
verkürzen
bzw. die Auslöseschwelle
erniedrigen.
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Hierbei
ist zu beachten, dass, wie bereits erwähnt, Messgröße die Zeit ist, die vergeht,
bis dass durch die angelagerten leitfähigen Partikel ein leitfähiger Kontakt
zwischen den beiden Elektroden hergestellt ist, der Widerstand sich
bei einer angelegten Spannung also von unendlich auf einen endlichen Wert
reduziert bzw. ein messbarer Strom fließt. Das mindestens im Bereich
zwischen den Elektroden angeordnete Material, dass so gewählt ist,
dass es leitfähige
Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfähiger Partikel aus dem Gasgemisch
die Ausbildung einer leitfähigen
Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen, verringert also die
Abstände,
die für die
Ausbildung einer leitenden Verbindung zwischen den Elektroden leitend überbrückt werden
müssen, reduziert
somit die Anzahl der erforderlichen leitfähigen Partikel und erhöht so die
Messempfindlichkeit des Sensors.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors
ist vorgesehen, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden
angeordneten Material um ein elektrisch leitendes Material handelt,
dessen Zusammensetzung so gewählt ist,
dass es nach Aufbringung auf den Sensor schwindet und/oder Risse
ausbildet, nämlich
dergestalt, dass eine durch das frisch aufgebrachte Material ggf.
herbeigeführte
leitfähige
Verbindung zwischen den Elektroden durch das Schwinden bzw. die
Rissbildung unterbrochen wird.
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Bei
diesem Material kann es sich z.B. um einen leitenden Lack oder eine
leitende Paste handeln, die aufgetragen wird, und die nach Auftragung Schwindungsrisse
ausbildet, z.B. durch Trocknung bzw. Verdampfung eines im Lack bzw.
der Paste enthaltenen Lösungsmittels.
Für den
Fachmann ist es aufgrund der erfindungsgemäßen technischen Lehre ein leichtes,
ein Material mit geeigneten Leit-, Haftungs- und Schwindungseigenschaften
auszuwählen.
Da die bei der Trocknung auftretenden Schwindungsrisse statistisch
zufällig
angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich
zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt,
den die Elektroden zueinander aufweisen. Auf diese Weise wird die
Menge der erforderlichen Russpartikel zur Herstellung einer leitfähigen Verbindung
reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt.
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Ebenso
bevorzugt kann es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden
angeordneten Material um ein Material aufweisend elektrisch leitende Partikel
handeln, deren Konzentration in dem Material so gewählt ist,
dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle liegt.
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Bei
diesem Material kann es sich z.B. um leitende Keramik- oder Metallpartikel
in einer isolierenden Keramik-Matrix handeln, wie z.B. Platinpartikel
in einer Aluminiumoxid-Matrix. Da die leitenden Partikel in der
Matrix statistisch zufällig
angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich
zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt,
den die Elektroden zueinander aufweisen. Auch auf diese Weise wird
die Menge der erforderlichen Russpartikel zur Herstellung einer
leitfähigen
Verbindung reduziert, und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt.
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Unter
dem Begriff Perkolation versteht man in der Elektrotechnik, dass
leitfähige
Füllstoffe
in einer nichtleitenden Matrix durch Bildung eines dreidimensionalen
Netzwerks dem Verbundwerkstoff aus Füllstoff und Matrix eine Leitfähigkeit
verleihen können.
Ab einer bestimmten Füllstoffkonzentration,
die als Perkolationsschwelle bezeichnet wird, führt die Bildung eines solchen
Netzwerks unmittelbar zu einer Reduktion des elektrischen Widerstands.
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Für den Fachmann
ist es aufgrund der erfindungsgemäßen technischen Lehre ein leichtes,
ein Matrixmaterial mit geeigneten Eigenschaften auszuwählen, und
auch die Partikeldichte und -größe so zu wählen, dass
die Perkolationsschwelle mehr oder weniger stark unterschritten
wird, um so die Auslöseempfindlichkeit
des Sensors einzustellen.
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Als
Beispiel für
ein solches Verbundmaterial bietet sich z.B. eine Matrix aus einem
isolierenden Keramikmaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, mit darin eingebetteten
Platinpartikeln an.
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Das
betreffende Material kann in einer ersten Ausgestaltung auf die
bereits mit Elektroden versehene Oberfläche des Sensors aufgetragen
werden, lagert sich also auf den Elektroden und im Bereich zwischen
den Elektroden an.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann das Material auch auf die noch
nicht mit den Elektroden versehene Oberfläche des Sensors aufgetragen
werden. Die Elektroden werden anschließend auf das Material aufgedruckt.
Diese Ausgestaltung weist dieselben Vorteile auf wie die zuvor diskutierte
Ausgestaltung. Überdies
kann das Material so gewählt
sein, dass es als Haftschicht zwischen der Oberfläche und den
Elektroden dient.
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In
einer weiteren Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Idee
ist vorgesehen, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden
angeordneten Material um elektrisch leitende Partikel handelt, die
dendritische Strukturen zwischen den Elektroden ausbilden.
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Bei
diesen dendritischen Strukturen handelt es sich um Strukturen, die
von den Elektroden aus in den Bereich zwischen den Elektroden hineinragen, ohne
eine Verbindung (Kurzschluß)
zwischen den Elektroden herzustellen. Sie können Z.B. fingerförmig, dreieckförmig oder
verästelt
sein.
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Mittels
dieser Strukturen werden die Abstände zwischen den Elektroden
verringert und so die Ausbildung von leitfähigen Verbindungen zwischen den
Elektroden begünstigt.
Die genannten elektrisch leitenden Partikeln sollten eine hohe Thermostabilität aufweisen,
so dass sie bei der thermischen Regeneration des Sensors und/oder
des Russpartikelfilters nicht entfernt werden.
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Ein
solcher Sensor kann z.B. hergestellt werden, in dem die Oberfläche des
Sensors einem Gasstrom ausgesetzt wird, der die genannten elektrisch leitende
Partikel enthält.
Diese lagern sich – ähnlich den
späteren,
zu detektierenden Russpartikeln – auf der Oberfläche an und
bilden die genannten dendritischen Strukturen aus (siehe 5).
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Um
die Anlagerung der Partikel zu unterstützen, kann vorgesehen sein,
dass eine Gleichspannung (sogenannte Saugspannung) zwischen den beiden
Elektroden angelegt wird, so dass sich die Partikel durch elektrostatische
Anziehung auf der Oberfläche
im Bereich der Elektroden anlagern. Unter dem Mikroskop lässt sich
dabei ein regelrechtes „Wachsen" der dendritischen
Strukturen von den Elektroden aus in Richtung des Bereichs zwischen den
Elektroden beobachten.
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Anschließend werden
die dendritischen Strukturen auf der Oberfläche fixiert, z.B. durch Tempern
oder das Ausbilden von Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und
den Partikeln.
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Bei
den Partikeln kann es sich z.B. um Platinpartikel oder auch um elektrisch
leitende Keramikpartikel handeln.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass die Elektroden zueinander in Form
von Interdigitalelektroden angeordnet sind. Diese Art der Ausgestaltung
sowie die sich hieraus ergebenden Vorteile sind an sich bekannt.
Häufig,
und auch dies ist bevorzugt, liegen die Elektroden in mäanderförmiger Anordnung vor.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors
ist vorgesehen, dass die Elektroden mittels Siebdrucktechnik auf
die Oberfläche
des Sensors aufgebracht sind. Die sich hieraus ergebenden Vorteile
sind bereits weiter oben erläutert.
Weitere geeignete Verfahren zur Aufbringung der Elektroden sind
Schablonendruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck, Transferfilm. All
diesen Verfahren ist gemein, dass der damit erzielbare Minimalabstand
der Elektroden zueinander für
eine befriedigende Empfindlichkeitsverbesserung des Sensors nicht
ausreicht, so dass die technische Lehre der vorliegenden Erfindung
auf alle Sensoren, die mit einem dieser Verfahren hergestellt wurden,
vorteilhaft anwendbar ist.
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Bevorzugt
handelt es sich bei den zu bestimmenden leitfähigen Partikeln um Russpartikel.
Entsprechend ist der Sensor bevorzugt ein Russpartikelsensor. Bei
dem Gasgemisch handelt es sich bevorzugt um ein Verbrennungsgas-Gemisch.
Besonders bevorzugt ist der Sensor im Abgasstrom eines Dieselmotors
angeordnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors
ist vorgesehen, dass der Sensor eine Heizeinrichtung zur thermischen
Regeneration des Sensors aufweist. Mit deren Hilfe können die
auf der Sensoroberfläche
angelagerten Russpartikel abgebrannt werden und die leitende Verbindung
zwischen den Elektroden wird unterbrochen, so dass der Sensor erneut
einsetzbar ist.
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Zur
Verbesserung der Korrelation des gemessenen Signals mit der im Gas
vorhandenen Partikelkonzentration und/oder zur Steuerung der Regeneration
(Temperaturgeregelt/-begrenzt) kann zusätzlich ein Temperaturfühler (etwa
in Form eines Widerstandsmäanders)
im Sensor integriert werden, da viele Partikel (insbesondere auch
Ruß) eine
von der Temperatur abhängige
elektrische Leitfähigkeit
aufweisen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass der Sensor mindestens zwei Sensorabschnitte mit
jeweils mindestens zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden
der mindestens zwei Sensorabschnitte jeweils unterschiedliche Abstände und/oder Konfigurationen
aufweisen, die mindestens zwei Sensorabschnitte mit unterschiedlichen
Spannungen betrieben werden oder die Elektroden der mindestens zwei
Sensorabschnitte unterschiedliche Materialien aufweisen. Auf diese
Weise lassen sich verschiedene Messbereiche bzw. Messempfindlichkeiten
an den verschiedenen Sensorabschnitten erzielen.
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Es
ist weiterhin ein Verfahren zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen
leitfähiger
Partikel in Gasgemischen vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass bei diesem Verfahren ein wie oben beschriebener erfindungsgemäßer Sensor
verwendet wird.
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Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und
diskutierten Figuren genauer erläutert.
Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter
haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner
Form einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1 die
Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor;
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2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors
in Querschnittsansicht;
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3 eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors
in Querschnittsansicht;
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4 eine zweite Variante einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors in
Querschnittsansicht; und
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5 eine
dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors
in vergrößerter Aufsicht.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sensor 10 mit
den Elektroden 11, 12 auf einer Oberfläche 13.
Bei den Elektroden 11, 12 handelt es sich um sogenannte
Interdigitalelektroden, die kammartig ineinander greifend angeordnet
sind. Der Sensor ist z.B. im Abgasstrom eines nicht dargestellten
Dieselmotors angeordnet, so dass sich Russpartikel aus dem Abgasstrom
auf der Oberfläche
des Sensors ablagern. Wenn sich ausreichend Russpartikel auf der Oberfläche abgelagert
haben, werden die beiden Elektroden kurzgeschlossen, und es kann
ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter
angelegter Spannung) zwischen den Elektroden gemessen werden.
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2a, 2b zeigen
einen erfindungsgemäßen Sensor 20 in
zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die
Elektroden 21, 22 auf einer Oberfläche 23.
Im Bereich zwischen den Elektroden 21, 22 ist
ein elektrisch leitendes Material 24 angeordnet, dessen
Zusammensetzung so gewählt
ist, dass es nach Aufbringung auf den Sensor Risse 25 ausbildet,
dergestalt, dass eine durch das frisch aufgebrachte Material ggf.
herbeigeführte
leitfähige
Verbindung zwischen den Elektroden unterbrochen wird.
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Bei
diesem Material 24 handelt es sich im vorliegenden Beispiel
um einen leitenden Lack, der nach Auftragung Schwindungsrisse 25 ausbildet.
Da die bei der Trocknung auftretenden Schwindungsrisse statistisch
zufällig
angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich
zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt,
den die Elektroden zueinander aufweisen. Auf diese Weise wird die
Menge der erforderlichen Russpartikel 26 zur Herstellung
einer leitfähigen
Verbindung reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt.
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3a, 3b zeigen
eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 30 in
zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die
Elektroden 31, 32 auf einer Oberfläche 33.
Im Bereich zwischen den Elektroden 31, 32 ist
ein Material 34 angeordnet, das elektrisch leitende Partikel 35 aufweist. Deren
Konzentration in dem Material 34 ist so gewählt, dass
sie unterhalb der Perkolationsschwelle liegt. Auf diese Weise wird
die Menge der erforderlichen Russpartikel 36 zur Herstellung
einer leitfähigen
Verbindung reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt.
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Bei
dem Material 34 handelt es sich im vorliegenden Beispiel
um eine isolierende Aluminiumoxid-Matrix mit darin eingebetteten
Platinpartikeln 35. Da die leitenden Partikel in der Matrix
statistisch zufällig
angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich
zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt, den
die Elektroden zueinander aufweisen.
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4a, 4b zeigen
eine zweite Variante einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 40 in
zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die
Elektroden 41, 42 auf einer Oberfläche 43.
Im Bereich zwischen den Elektroden 41, 42 ist
ein Material 44 angeordnet, das elektrisch leitende Partikel 45 aufweist. Ebenfalls
dargestellt sind Russpartikel 46. Im Unterschied zu der
in 3 gezeigten Variante wurde in dieser
Variante das Material 44 auf die noch nicht mit den Elektroden
versehene Oberfläche
des Sensors aufgetragen, und die Elektroden wurden anschließend auf
das Material aufgedruckt. Diese Ausgestaltung weist dieselben Vorteile
auf wie die zuvor diskutierte Variante. Überdies kann das Material 44 so
gewählt
sein, dass es als Haftschicht zwischen der Oberfläche 43 und
den Elektroden 41, 42 dient.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors 50 in
vergrößerter Aufsicht.
Der Sensor weist die beiden Interdigitalelektroden 51, 52 auf,
zwischen denen dendritische Strukturen 53 ausgebildet sind,
die aus leitenden Partikeln 54 bestehen und mit deren Hilfe
der Abstand zwischen den beiden Interdigitalelektroden 51, 52 verkürzt wird.
Partikel, Elektroden und Elektrodenabstand sind nicht massstäblich dargestellt.
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Ein
solcher Sensor kann z.B. hergestellt werden, in dem die Oberfläche des
Sensors 50 einem Gasstrom ausgesetzt wird, der die genannten
elektrisch leitende Partikel enthält. Diese lagern sich – ähnlich den
späteren,
zu detektierenden Russpartikeln – auf der Oberfläche an und
bilden die genannten dendritischen Strukturen aus (siehe 5).
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Um
die Anlagerung der Partikel zu unterstützen, kann vorgesehen sein,
dass eine Gleichspannung (sogenannte Saugspannung) zwischen den beiden
Elektroden 51, 52 angelegt wird, so dass sich die
Partikel 54 durch elektrostatische Anziehung auf der Oberfläche im Bereich
der Elektroden anlagern. Unter dem Mikroskop lässt sich dabei ein regelrechtes „Wachsen" der dendritischen
Strukturen 53 von den Elektroden aus in Richtung des Bereichs
zwischen den Elektroden beobachten. Anschließend werden die dendritischen
Strukturen 53 auf der Oberfläche des Sensors 50 fixiert.