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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Sensor
mit Eigendiagnosefunktion zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom,
ein Verfahren zur Eigendiagnose des Sensorelements und Sensors und
zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom sowie deren Verwendung.
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Stand der Technik
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In
naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von
Fahrzeugen während des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen
eines Motors bzw. Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht
werden (On Board Diagnosis, OBD). Darüber hinaus ist eine
Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle
notwendig, um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten,
kraftstoffsparenden Regenerationszyklen zu gewährleisten
und kostengünstige Filtermaterialien, beispielsweise Cordierit,
einsetzen zu können.
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Eine
Möglichkeit hierzu bieten aus dem Stand der Technik bekannte
resistive Teilchensensoren, insbesondere resistive Partikelsensoren.
Resistive Teilchensensoren ziehen zur Detektion des Teilchenausstoßes
eine durch Teilchenanlagerung hervorgerufene Widerstandsänderung
eines Elektrodensystems mit zwei oder mehr kammartig ineinander greifenden
Elektroden (interdigitales Elektrodensystem) heran. Aufgrund ihrer
Funktionsweise ordnen sich resistive Teilchensensoren bei den sammelnden Prinzipien
ein. Derartige Sensoren werden von der
DE 101 493 33 A1 sowie
der
WO 2003006976
A2 beschrieben.
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Derzeit
sind resistive Teilchensensoren, insbesondere Partikelsensoren,
für leitfähige Teilchen bekannt, bei denen zwei
oder mehrere metallische, kammartig ineinander greifende Elektroden
(Interdigitalelektroden) ausgebildet sind, wobei die sich unter
Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen,
insbesondere Rußpartikel, die Elektroden kurzschließen
und so mit steigender Teilchenkonzentration auf der Sensorfläche
ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter
angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar wird. Nach
Erreichen eines Schwellwertes kann ein sich ändernder Sensorstrom gemessen
werden, der mit der Zunahme der Teilchenmasse auf der Sensoroberfläche
korreliert werden kann. Zur Regeneration des Sensors nach der Teilchenanlagerung
muss der Sensor mit Hilfe einer integrierten Heizvorrichtung freigebrannt
werden.
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Da
bei einem Einsatz zur „on board diagnosis" der Sensor bezüglich
eines Partikelfilter stromabwärts des Abgasstroms angeordnet
ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Filter
an der Stelle, an der der Sensor angeordnet ist, keine Teilchen,
insbesondere Rußpartikel, mehr im Abgas befinden, die ein
Sensorsignal liefern könnten. Dass kein Signal von dem
Sensor geliefert wird kann allerdings auch bedeuten, dass der Sensor
defekt ist und somit ein gegebenenfalls ebenfalls defekter Filter
nicht als defekt erkannt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Sensorelement mit Eigendiagnosefunktion
zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend ein Interdigitalelektrodensystem
mit mindestens zwei Interdigitalelektroden und mindestens ein halbleitendes
Material und/oder mindestens ein gering leitfähiges Material dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens jeweils ein Elektrodenarm einer
ersten Interdigitalelektrode mit jeweils einem Elektrodenarm einer
zweiten Interdigitalelektrode; oder mindestens ein Elektrodenarm einer
Interdigitalelektrode mit einem Prüfelement; über
das halbleitende Material elektrisch leitend verbindbar ist und/oder über
das gering leitfähige Material leitend verbunden ist, wobei
das halbleitende Material und/oder das gering leitfähige
Material den/die Elektrodenarm/e in einem Bereich von 0 < bis < 100% der Elektrodenarmlänge
des jeweiligen Elektrodenarms kontaktiert, hat den Vorteil, dass
neben einer Detektion von Teilchen in einem Gasstrom auch eine Diagnose
der Messelektroden des Sensors (Eigendiagnose) durchgeführt
werden kann. Durch eine derartige Eigendiagnose des Sensors ist
es möglich, defekte Sensoren, deren Elektroden, Zuleitungen oder
Kontakte während der Fertigung oder über die Lebensdauer
des Sensors leicht verletzt oder geschädigt wurden, zu
erkennen und durch entsprechende Korrektur des gemessenen Teilchensignals den
Fehler auszugleichen oder den Fahrer/Betreiber des Fahrzeugs/Anlage
bei einem Totalausfall des Sensors davon in Kenntnis zu setzen.
Darüber hinaus weist ein erfindungsgemäßes/er
Sensorelement/Sensor den Vorteil auf, dass die Funktion des Sensorelements/Sensors
bei der Endkontrolle vor der Auslieferung an den Kunden rußfrei überprüft werden
kann und somit gesundheitsschädlicher Ruß in den
Endkontrollanlagen vermieden werden kann. Ein erfindungsgemäßes/er
Sensorelement/Sensor/Verfahren dient daher vorteilhafterweise der
Qualitätsprüfung und -sicherstellung. Ein erfindungsgemäßes/er
Sensorelement/Sensor lässt sich darüber hinaus
vorteilhafterweise einfach und kostengünstig mittels Siebdruckverfahren
herstellen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen
zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und
diskutierten Figuren und die nachfolgende Beschreibung 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 eine
schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einer Leiterbahn
aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen Material;
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2 eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Prüfungselement und einer Leiterbahn aus einem halbleitenden
und/oder gering leitfähigen Material;
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3a eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Interdigitalelektrodensystem, dessen Interdigitalelektroden über
eine Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material verbunden sind;
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3b eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Interdigitalelektrodensystem; dessen Elektrodenarme paarweise über
eine Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material verbunden sind;
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3c eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Interdigitalelektrodensystem, dessen Interdigitalelektroden über
eine Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material mit einem Gradienten verbunden sind;
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3d ein
schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensorelementes aus 3a oder 3c;
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3e ein
schematischer Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes aus 3a oder 3c;
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4a eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Interdigitalelektrodensystem, dessen Elektrodenarme über
ein halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material
und eine elektrisch leitende Schicht verbunden sind;
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4b eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit einem
Interdigitalelektrodensystem, dessen Elektrodenarme über
ein halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material
und zwei elektrisch leitende Streifen verbunden sind;
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4c ein
schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensorelementes aus 4a oder 4b;
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4d ein
schematischer Querschnitt einer weiteren Ausführüngsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes aus 4a oder 4b.
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Beschreibung der Abbildung
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1 ist
eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 mit
einem Interdigitalelektrodensystem 2, das auf einem, insbesondere
nicht elektrisch leitendem, Substrat 12 angeordnet ist.
Das Interdigitalelektrodensystem 2 weist eine erste 3 und eine
zweite 4 Interdigitalelektrode (Kammelektrode) auf. Dabei
umfasst die erste Interdigitalelektrode 3 mehrere Elektrodenarme 6 sowie
einen Elektrodenkammrücken 8, der die Elektrodenarme 6,
insbesondere elektrisch leitend, verbindet. Entsprechend umfasst
die zweite Interdigitalelektrode 4 mehrere Elektrodenarme 7 sowie
einen Elektrodenkammrücken 9, der die Elektrodenarme 7,
insbesondere elektrisch leitend, verbindet. Wie 1 zeigt,
greifen die Interdigitalelektroden derart ineinander, dass jeweils
zu unterschiedlichen Interdigitalelektroden 3, 4 zugehörige
Elektrodenarme 6, 7 benachbart sind. Vorzugsweise
ist der Abstand zwischen den Elektrodenarmen 6, 7 äquidistant. 1 zeigt,
dass die erste Interdigitalelektrode 3 über eine
Zuleitung 10 und die zweite Interdigitalelektrode über
eine Zuleitung 11 an eine nicht dargestellte Spannungs/Stromversorgungs-
und/oder Messvorrichtung angeschlossen.
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1 zeigt,
dass eine Leiterbahn aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5a einen Elektrodenarm 6 der ersten Interdigitalelektrode 3 mit
einem, insbesondere benachbarten, Elektrodenarm 7 der zweiten
Interdigitalelektrode 4 verbindet. Wie 1 zeigt,
erfolgt die Verbindung des Elektrodenarms 6 der ersten
Interdigitalelektrode 3 mit dem Elektrodenarm 7 der
zweiten Interdigitalelektrode 4 dabei nicht über
die volle Elektrodenarmlänge L1,
L2 der Elektrodenarme 6, 7,
sondern in einem Bereich von 0 < bis < 100%, beispielsweise
von 0 < bis ≤ 90%
oder von 0 < bis ≤ 50%,
insbesondere von 0 < bis ≤ 10%,
der Länge L1, L2 des
jeweiligen Elektrodenarms 6, 7. Vorzugsweise verbindet/kontaktiert
die Leiterbahn aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5a die Elektrodenarme 6 und 7 der
ersten 3 und zweiten 4 Interdigitalelektrode jeweils
an deren Elektrodenarmenden E. Dabei wird im Sinn der vorliegenden
Erfindung unter dem Elektrodenarmende E das dem Elektrodenkammrücken 8, 9 abgewandte
Ende eines Elektrodenarms 6, 7 verstanden. Wie 1a zeigt kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung mindestens eine Zuleitung 11 einer Interdigitalelektrode 4 derart
ausgebildet und/oder angeordnet sein, dass ein Bereich LZ dieser Zuleitung 11 zur Signalbildung,
insbesondere durch Teilchenanlagerung zwischen dem Bereich LZ der Zuleitung 11 der einen Interdigitalelektrode 4 und
einem, insbesondere benachbarten, Elektrodenarm 6 der anderen
Interdigitalelektrode 3, beiträgt und als Elektrodenarm
im Sinn der vorliegenden Erfindung dient.
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Eine
erfindungsgemäße Verbindung über ein halbleitendes
und/oder gering leitfähiges Material 5a beeinflusst
das Verhalten der Interdigitalelektroden 3, 4 bei
der Detektion von Teilchen nicht bzw. wenig, da das halbleitende
Material 5a unter den Messbedingungen nicht elektrisch
leitend ist und/oder durch das gering leitfähige Material 5a nur
ein geringer Grundstrom hervorgerufen wird, der in seiner Stärke
das Signal bei der Detektion von Teilchen nicht stark beeinflusst.
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Sobald
die Bedingungen, wie eine bestimmte Temperatur und/oder Höhe,
Frequenz und/oder Polarität einer an das halbleitende Material
angelegten Spannung eintreten, wird das zuvor nicht-leitende halbleitende
Material 5a elektrisch leitend. Die konstante und/oder
gezielt einstellbare elektrische Verbindung ermöglicht
es, durch Anlegen einer Spannung und Messen des resultierenden Stromflusses/Spannungsabfalls,
ein elektrisches Signal zwischen den zwei Interdigitalelektroden 3, 4 durch
Vergleich mit zuvor kalibrierten und/oder gemessenen Werten auszuwerten
und als Maß für die Funktionsfähigkeit/Güte
des Interdigitalelektrodensystems 2 auszugeben.
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2 ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 2 unterscheidet
sich dadurch von 1, dass das Sensorelement 1 zusätzlich
ein Prüfelement 13 aufweist und die Leiterbahn
aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen Material 5a nicht
zwei Elektrodenarme 6, 7 miteinander, sondern
einen Elektrodenarm 6 mit dem Prüfungselement 13 verbindet/kontaktiert.
Analog zu dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip,
kann eine konstante elektrisch leitende Verbindung oder eine durch
das gezielte Einstellen von äußeren Bedingungen,
wie Temperatur, Spannungshöhe, Spannungsfrequenz und/oder
Spannungs/Strompolarität, elektrisch leitende Verbindung zwischen
einem Elektrodenarm 6 und dem Prüfelement 13 hergestellt
werden sowie ein elektrisches Signal zwischen dem Elektrodenarm 6 und
dem Prüfelement 13 gemessen, ausgewertet und als
Maß für die Funktionsfähigkeit/Güte
des Interdigitalelektrodensystems 2 ausgegeben werden.
Im Gegensatz zu dem im Zusammenhang mit 1 erläuterten
Aufbau, bei dem nur Daten über ein Elektrodenarmpaar erhalten
werden können, kann bei der Verwendung eines Prüfelements 13 vorteilhafterweise
eine gezielte Diagnose eines einzelnen Elektrodenarms 6, 7 durchgeführt
werden. Die daraus resultierende Erkenntnis über die exakte
Lage eines gegebenenfalls defekten Elektrodenarmes kann dazu genutzt
werden, einen gegebenenfalls vorliegenden Defekt durch eine genauere
Kompensation (etwa durch eine angepasste Kompensationsfunktion oder
eine angepasste Beschaltung des Interdigitalelektrodensystems zu
korrigieren und den Sensor trotz des Defektes weiter betreiben zu
können.
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3a ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 3a unterscheidet sich
dadurch von 1, dass die Interdigitalelektroden 3, 4 des
Interdigitalelektrodensystems 2 (und deren Elektrodenarme 6, 7) über
eine Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b elektrisch leitend verbindbar oder verbunden sind.
Wie 3a zeigt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
auch der als Elektrodenarm dienende Bereich LZ der
Zuleitung 11 der einen Interdigitalelektrode 4 über
das halbleitende und/oder gering leitfähige Material mit
einem Elektrodenarm 6 der anderen Interdigitalelektrode 3,
oder wie im Folgenden erläutert mit einem Prüfelement 13,
verbunden sein. Vorzugsweise kontaktiert das halbleitende Material
und/oder das gering leitfähige Material den als Elektrodenarm
dienenden Bereich LZ der Zuleitung 11 dabei
in einem vom Kammrücken 9 der Interdigitalelektrode 4 abgewandten
Teilbereich, beispielsweise an einer Kontaktstelle K.
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Diese
Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b kann erfindungsgemäß über,
unter und/oder zwischen, beispielsweise unter oder über
und zwischen, den Interdigitalelektroden 6, 7 angeordnet
sein. Wie 3a zeigt, erstreckt sich die
Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b im Wesentlichen über den Bereich der
Elektrodenarme 6, 7 der Interdigitalelektroden 3, 4 und
den als Elektrodenarm dienende Bereich LZ der
Zuleitung 11. Dass das das halbleitende Material und/oder
das gering leitfähige Material 5b den/die Elektrodenarm/e 6, 7 in
einem Bereich von 0 < bis < 100%, beispielsweise
von 0,001 ≤ bis ≤ 90% oder von 0,01 ≤ bis ≤ 50%
oder von 0,05 ≤ bis ≤ 10%, insbesondere von 0,1 ≤ bis ≤ 7%,
der Elektrodenarmlänge L1, L2, LZ des jeweiligen Elektrodenarms 6, 7 kontaktiert,
kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch gewährleistet
werden, dass die Elektrodenarme 6, 7 durch eine
oder mehrere isolierende Schichten 14 teilweise von dem halbleitenden
und/oder gering leitfähigen Material 5b getrennt/elektrisch
isoliert werden. Insbesondere zeigt 3a, dass
die isolierende Schicht 14 derart angeordnet und/oder ausgebildet
ist, dass nur die Enden E der Elektrodenarme 6, 7 bzw.
der vom Kammrücken 9 der Interdigitalelektrode 4 abgewandten
Teilbereich, beispielsweise die Kontaktstelle K, des als Elektrodenarm
dienenden Bereichs LZ der Zuleitung 11,
die Schicht aus dem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b kontaktieren. Die isolierende Schicht/en 14 können
dabei um, zwischen, über und/oder unter dem zu trennenden/isolierenden
Bereich eines Elektrodenarms 6, 7 bzw. des als
Elektrodenarm dienenden Bereichs LZ einer Zuleitung 11,
ausgebildet und/oder angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße
Isolation eines großen, dem Kammrücken 8, 9 der
jeweiligen Interdigitalelektrode 3, 4 zugewandten
Bereichs der Elektrodenarme 6, 7 bzw. des als
Elektrodenarm dienenden Bereichs LZ einer
Zuleitung 11 ist vorteilhaft, um eine genaue Prüfung über
die gesamte Länge der Elektrodenarme 6, 7 zu
ermöglichen.
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3b ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 3b unterscheidet sich
dadurch von 3a, dass das halbleitende und/oder
gering leitfähige Material 5b derart unter, über
und/oder zwischen den Elektrodenarmen 6, 7 der
Interdigitalelektroden 3, 4 angeordnet ist, dass
jeweils zwei benachbarte Elektrodenarme 6, 7,
die zu unterschiedlichen Interdigitalelektroden 3, 4 gehören, ein
Elektrodenarm-Paar 15, 15', 15'' bilden,
welches über eine Schicht aus einem halbleitende und/oder gering
leitfähigen Material 5b, 5b', 5b'' elektrisch
leitenden verbunden werden kann oder gering leitfähig verbunden
ist. Wie 3b zeigt, ist der n-te Elektrodenarm 6 der
ersten Interdigitalelektrode 3 mit dem n-ten Elektrodenarm 7 der
zweiten Interdigitalelektrode 4 über eine Schicht
aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen Material 5b verbunden, wohingegen
zwischen dem n-ten Elektrodenarm 7 der zweiten Interdigitalelektrode 4 und
dem (n + 1)-ten Elektrodenarm 6 der ersten Interdigitalelektrode 3 keine
Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b vorliegt, und so weiter. Die einzelnen Elektrodenarm-Paare 15, 15', 15'' werden
daher untereinander nicht durch das halbleitende Material und/oder
das gering leitfähige Material elektrisch leitend verbunden.
Die Widerstände der Elektrodenarm-Paare 15, 15', 15'' können
daher als parallel geschaltete Widerstände betrachtet werden.
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Wenn
für jedes Elektrodenarm-Paar
15,
15',
15'' ein
halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material
5b,
5b',
5b'' mit
einem anderen Widerstand eingesetzt wird, kann durch einen derartigen
Aufbau die exakte Lage eines defekten Elektrodenarmpaares
15 ermittelt
werden. Dies liegt darin begründet, dass die Widerstände
der einzelnen Elektrodenarm-Paare
15,
15',
15'',
entsprechend der Formel:
zueinander parallel geschaltet
sind und bei. einem defekten Elektrodenarm-Paar dessen Widerstand aus
dem Gesamtwiderstand herausfallen würde. An der Änderung
des Gesamtwiderstandes kann so auf das defekte Elektrodenarmpaar
zurück geschlossen werden.
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Anstelle
des Einsatzes von gering leitfähigen Materialien 5b, 5b', 5b'' mit
unterschiedlichen Widerständen können auch halbleitende
Materialien 5b, 5b', 5b'' eingesetzte
werden, die unter unterschiedlichen Bedingungen leitend werden.
Beispielsweise zählen die Temperatur, die Höhe,
Frequenz und Polarität einer an das halbleitende Material
angelegten Spannung zu den Bedingungen, welche die elektrische Leitfähigkeit
des halbleitenden Materials 5b, 5b', 5b'' beeinflussen
können. Beispielsweise wird das halbleitende Material 5b des
ersten Elektrodenarmpaares 15 bei 500°C, das halbleitende
Material 5b' des zweiten Elektrodenpaares 15' bei
550°C, und das halbleitende Material 5b'' des
dritten Elektrodenarmpaares 15'' bei 600°C elektrisch
leitend. Zur Diagnose werden dann nacheinander die verschiedenen Bedingungen
(wie die Temperatur) eingestellt. Liegt das gemessene Signal eines
Elektrodenarm-Paares nicht im Sollbereich, ist ein Rückschluss
auf das defekte Elektrodenarmpaar 15, 15', 15'' möglich.
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3c ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 3c unterscheidet sich
dadurch von 3a, dass die Schicht aus einem halbleitenden
und/oder gering leitfähigen Material 5c einen
Gradienten aufweist. Dieser Gradient kann beispielsweise ein Gradient
in der Leitfähigkeit des halbleitenden und/oder gering
leitfähigen Materials oder ein Gradienten in den Bedingungen,
unter denen das halbleitende Material leitend wird, oder ein Gradient des
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des halbleitenden
und/oder gering leitfähigen Materials sein. Der Gradient
kann sich, wie in 3c gezeigt, in der Ebene der
Schicht aus einem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5c und im Wesentlichen senkrecht zu den Interdigitalelektrodenarmen 6, 7 erstrecken.
Wie 3c zeigt steigt der Gradient vom letzten Elektrodenarm 7 der zweiten
Interdigitalelektrode 4 zum ersten Elektrodenarm 6 der
ersten Interdigitalelektrode 3 hin an. Durch einen derartigen
Gradienten ist es möglich, insbesondere durch gezieltes
Einstellen der oben genannten Bedingungen, einzelne Bereiche der
Interdigitalelektroden 3, 4, beispielsweise einzelne
Elektrodenarme 6, 7, zu überprüfen.
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3d ist
ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 aus 3a oder 3c im
Bereich der dort eingezeichneten Linie A-A. Im Rahmen dieser Ausführungsform
ist die Schicht aus dem halbleitenden und/oder gering leitfähigen
Material 5b/c unter dem Interdigitalelektrodensystem 2 sowie
zwischen dem Interdigitalelektrodensystem 2 und dem Substrat 12 angeordnet.
Wie in 3a und c gezeigt und durch 3d (und
e) verdeutlicht, werde die Elektrodenarme 6 der ersten
Interdigitalelektrode 3 im Bereich der Linie A-A jeweils
durch eine isolierende Schicht 14, welche sich zwischen
den Elektrodenarmen 6 und dem halbleitenden und/oder gering
leitfähigen Material 5b/c befindet, von dem halbleitenden
und/oder gering leitfähigen Material 5b/c getrennt/elektrisch
isoliert. Die Enden der Elektrodenarme 7 der zweiten Interdigitalelektrode 4 kontaktieren hingegen
das halbleitende und/oder gering leitfähige Material 5b/c.
Ein Querschnitt durch die Linie A-A in 3b ergibt
einen ähnlichen Aufbau, der sich dadurch, dass die Schicht
aus halbleitendem und/oder gering leitfähigen Material 5b, 5b', 5b'' zwischen
dem ersten, zweiten und dritten Elektrodenarm-Paar 15, 15', 15'' unterbrochen
ist von dem in 3d unterscheidet.
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3e ist
ebenfalls ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 aus 3a oder 3c im
Bereich der dort eingezeichneten Linie A-A. Im Gegensatz zu 3d ist
in 3e die Schichtaus dem halbleitenden und/oder.
gering leitfähigen Material 5b/c über
und zwischen den Interdigitalelektroden 3, 4 und
-armen 6, 7 angeordnet (Überzug). Um die
Elektrodenarme 6 der ersten Interdigitalelektrode 3 in
Analogie zu 3d von dem halbleitenden und/oder
gering leitfähigen Material 5b/c isolieren zu können,
ist im Rahmen dieser Ausführungsform jeweils eine isolierende
Schicht 14 oberhalb und an den Seiten eines Elektrodenarms 6 angeordnet.
Das heißt, in diesem Bereich sind die Elektrodenarme 6 jeweils
von dem halbleitenden und/oder gering leitfähigen Material
durch das unter den Interdigitalelektrodensystem 2 angeordnete
isolierende Substrat 12 und den Überzug mit der
isolierenden Schicht 14 vollständig isoliert.
Ein Querschnitt durch die Linie A-A in 3b ergibt
einen ähnlichen Aufbau, der sich dadurch, dass die Schicht
aus halbleitendem und/oder gering leitfähigem Material 5b, 5b', 5b'' zwischen dem
ersten, zweiten und dritten Elektrodenarm-Paar 15, 15', 15'' unterbrochen
ist von dem in 3e unterscheidet.
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4a ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 4a unterscheidet sich
von 1 bis 3e dadurch,
dass das Sensorelement weiterhin eine elektrisch leitende Schicht 16a aufweist.
Diese Schicht 16a kann erfindungsgemäß über,
unter und/oder zwischen, beispielsweise unter oder über
und zwischen, den Interdigitalelektroden 6, 7 angeordnet
sein. Wie 4a zeigt erstreckt sich die
Schicht 16a im Wesentlichen über den Bereich der
Elektrodenarme 6, 7 der Interdigitalelektroden 3, 4 und
den als Elektrodenarm dienende Bereich LZ der
Zuleitung 11. Wie 4a zeigt,
werden im Rahmen dieser und der im Folgenden beschriebenen Ausführungsform
die Elektrodenarme 6, 7 bzw. der als Elektrodenarm
dienenden Bereichs LZ der Zuleitung 11 jeweils
durch ein halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material 5d und
eine isolierende Schicht 14 von der elektrisch leitenden
Schicht 16a getrennt. Das halbleitende und/oder gering
leitfähige Material 5d ist dabei vorzugsweise
an den Enden E der Elektrodenarme 6, 7 bzw. am
vom Kammrücken 9 der Interdigitalelektrode 4 abgewandten
Teilbereich, beispielsweise an der Kontaktstelle K, des als Elektrodenarm
dienenden Bereichs LZ der Zuleitung 11 angeordnet.
Der verbleibende, insbesondere den Kammrücken 8, 9 der
Interdigitalelektroden 3, 4 zugewandte Bereich
der Elektrodenarme bzw. des als Elektrodenarm dienenden Bereichs
LZ der Zuleitung 11 wird beispielsweise
jeweils durch eine isolierende Schicht 14 von der elektrisch
leitenden Schicht 16a getrennt. Vorzugsweise werden an
den Elektrodenarmenden E und an dem vom Kammrücken 9 der
Interdigitalelektrode 4 abgewandten Teilbereich, beispielsweise
an der Kontaktstelle K, des als Elektrodenarm dienenden Bereichs
LZ der Zuleitung 11 unterschiedliche
halbleitende und/oder gering leitfähige Materialien 5d verwendet
(durch unterschiedliche Schraffierungen dargestellt), sodass die
halbleitenden und/oder gering leitfähigen Materialien 5d an
den Elektrodenarmen 6, 7 jeweils unter unterschiedlichen Bedingungen
elektrisch leitfähig werden oder über unterschiedliche
Widerstände verfügen.
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Erfindungsgemäß kann
es sowohl vorgesehen sein, dass jedes halbleitende und/oder gering leitfähige
Material 5d einen anderen elektrischen Widerstand aufweist
oder unter unterschiedlichen, zuvor erläuterten, Bedingungen
leitend wird (Alternative 1); als auch dass jeweils zwei
halbleitende und/oder gering leitfähige Materialien 5d von
zwei Elektrodenarmen 6, 7 unterschiedlicher Interdigitalelektroden 3, 4 einen
Elektrodenarm-Paar bilden und den gleichen elektrischen Widerstand
aufweisen oder unter der gleichen Bedingung elektrisch leitend werden
(Alternative 2).
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Bei
einem erfindungsgemäßen Sensorelement 1 nach
Alternative 1 verfügt das Sensorelement 1 (wie
dargestellt) über ein Prüfelement 13.
Dies hat den Vorteil, dass jeder Elektrodenarm einzeln überprüft
werden kann. Bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement 1 nach
Alternative 2 (nicht dargestellt), kann auf das Prüfelement 13 verzichtete
werden, wobei dann, wie bereits erläutert nur Informationen über
das Elektrodenarmpaar, und nicht über einen einzelnen Elektrodenarm,
erhalten werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
kann jedoch auch ein erfindungsgemäßes Sensorelement 1 nach
Alternative 2 ein Prüfelement 13 aufweisen, welches
es vorteilhafterweise – unter einer geeigneten Beschaltung
des Prüfelements 13 und der Interdigitalelektroden 3, 4 – wie
bei der Alternative 1 ermöglicht jeden Elektrodenarm 6, 7 einzeln
zu prüfen.
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4b ist
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. 4b unterscheidet sich
von 4a dadurch, dass das Sensorelement 1 anstelle
einer elektrisch leitenden Schicht 16a zwei elektrisch
leitenden Streifen 16b aufweist, welche jeweils die Enden
der Elektrodenarme 6 (7) einer Interdigitalelektrode 3 (4)
kontaktieren. Vorteilhafterweise können durch einen derartigen
Aufbau die Materialkosten, der verwendeten leitenden Materialien
gesenkt werden.
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4c ist
ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorelementes aus 4a oder 4b im
Bereich der dort eingezeichneten Linie B-B. Im Rahmen dieser Ausführungsform
ist die elektrisch leitende Schicht 16a bzw. der elektrisch
leitende Streifen 16b unter dem Interdigitalelektrodensystem 2 sowie
zwischen dem Interdigitalelektrodensystem 2 und dem Substrat 12 angeordnet.
Wie in 4a und b gezeigt und durch 4c (und
d) verdeutlicht, werde die Elektrodenarme 6 der ersten
Interdigitalelektrode 3 im Bereich der Linie A-A jeweils
durch eine isolierende Schicht 14, welche sich zwischen
den Elektrodenarmen 6 und der elektrisch leitenden Schicht 16a bzw.
dem elektrisch leitenden Streifen 16b befindet, von der
elektrisch leitenden Schicht 16a bzw. dem elektrisch leitenden
Streifen 16b elektrisch isoliert. Die Elektrodenarme 7 der
zweiten Interdigitalelektrode 4 sind hingegen im Bereich
der Linie A-A über das halbleitende und/oder gering leitfähige
Material 5d, welches sich zwischen den Elektrodenarmen 7 und der
elektrisch leitenden Schicht 16a bzw. dem elektrisch leitenden
Streifen 16b befindet, mit der elektrisch leitenden Schicht 16a bzw.
dem elektrisch leitenden Streifen 16b elektrisch leitend
verbindbar oder verbunden.
-
4d ist
ebenfalls ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 aus 4a oder 4b im
Bereich der dort eingezeichneten Linie B-B. Im Gegensatz zu 4c ist
in 4d die elektrisch leitende Schicht 16a bzw.
der elektrisch leitende Streifen 16b über und
zwischen den Interdigitalelektroden 3, 4 und -armen 6, 7 angeordnet
(Überzug). Um die Elektrodenarme 6 der ersten
Interdigitalelektrode 3 in Analogie zu 4c von
der elektrisch leitenden Schicht 16a bzw. von dem elektrisch
leitenden Streifen 16b isolieren zu können, ist
jeweils oberhalb und an den Seiten der Elektrodenarme 6 der
einen Interdigitalelektrode 3 eine isolierende Schicht 14 und oberhalb
und an den Seiten der Elektrodenarme 7 der anderen Interdigitalelektrode 4 ein
halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material 5d angeordnet. Das
heißt die Elektrodenarme 6 sind jeweils mit einer isolierenden
Schicht 14 und die Elektrodenarme 7 mit einem
halbleitenden und/oder gering leitfähigen Material 5d überzogen.
Auf der verbleibenden freien Seite sind die Elektrodenarme 6, 7 der
elektrisch leitenden Schicht 16a bzw. von dem elektrisch
leitenden Streifen 16b durch das unter dem Interdigitalelektrodensystem 2 angeordnete
isolierende Substrat 12 isoliert: Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ein Sensorelement mit Eigendiagnosefunktion zur Detektion
von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend
- – ein
Interdigitalelektrodensystem mit mindestens zwei Interdigitalelektroden,
- – mindestens zwei Zuleitungen zur elektrischen Kontaktierung
der Interdigitalelektroden und
- – mindestens ein halbleitendes Material und/oder mindestens
ein gering leitfähiges Material
dadurch gekennzeichnet,
dass - – mindestens jeweils ein Elektrodenarm
einer ersten Interdigitalelektrode mit jeweils einem Elektrodenarm
einer zweiten Interdigitalelektrode; oder
- – mindestens ein Elektrodenarm einer Interdigitalelektrode
mit einem Prüfelement; über das halbleitende Material
elektrisch leitend verbindbar ist und/oder über das gering
leitfähige Material leitend verbunden ist,
wobei
das halbleitende Material und/oder das gering leitfähige
Material den/die Elektrodenarm/e in einem Bereich von 0 < bis < 100% der Elektrodenarmlänge des
jeweiligen Elektrodenarms kontaktiert.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung dient das halbleitende Material
und/oder das gering leitfähige Material dazu einen Elektrodenarm
einer ersten Interdigitalelektrode mit jeweils einem Elektrodenarm einer
zweiten Interdigitalelektrode oder mindestens ein Elektrodenarm
einer Interdigitalelektrode mit einem Prüfelement zur Überprüfung
der Funktion des Sensors, beispielsweise zur Überprüfung
der Unversehrtheit der Interdigitalelektroden, insbesondere der Elektrodenarme
der Interdigitalelektroden zu verbinden. Ein erfindungsgemäßes
Sensorelement hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da mit
der erfindungsgemäßen Eigendiagnosefunktion Defekte
wie abgetrennte Elektrodenarme oder defekte Leiterbahnen erkannt
werden können.
-
Unter
einem „gering leitfähigen Material" werden im
Rahmen der vorliegenden Erfindung Materialien verstanden, welche
die Detektion von Teilchen nicht nachteilig beeinflussen. Beispielsweise weisen „gering
leitfähige Materialien" im Rahmen der vorliegenden Erfindung
eine spezifische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von ≥ 10–8 S/m bis ≤ 10 S/m auf.
-
Im
Sinn der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße
Sensorelement sowohl eine Elektrodenarm-Elektrodenarm- oder Elektrodenarm-Prüfelement-Verbindung über
ein halbleitendes und/oder gering leitfähiges Material
als auch mindestens zwei, beispielsweise mindestens drei, Elektrodenarm-Elektrodenarm-
und/oder Elektrodenarm-Prüfelement-Verbindungen über
unterschiedliche halbleitende Materialien und/oder gering leitfähige
Materialien aufweisen.
-
Unter
einem halbleitenden Material wird im Sinn der vorliegenden Erfindung
ein Material verstanden, welches nur unter bestimmten erfindungsgemäßen
Bedingungen (Temperatur, Spannungshöhe-, Spannungsfrequenz
und/oder Spannungs/Strompolarität) elektrisch leitend wird.
Die Bedingungen bei denen das halbleitende Material elektrisch leitend wird,
sollten vorzugsweise nicht mit den Betriebsbedingungen für
die Teilchenmessung und -sammlung übereinstimmen, um die
Sammlung und Messung der Teilchen nicht durch die zusätzliche
Funktionalität negativ zu beeinflussen.
-
Im
Sinn der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Prüfelement"
eine elektrische Leitung, beispielsweise eine Leiterbahn, verstanden, welche
beispielsweise im Wesentlichen in der Ebene des Interdigitalelektrodensystems
und von den Interdigitalelektroden beabstandet angeordnet ist.
-
Ein
erfindungsgemäßes Sensorelement kann mehr als
zwei Interdigitalelektroden und/oder zwei oder mehr Prüfelemente
aufweisen. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßes
Sensorelement ein Prüfelement auf. Die Verwendung eines
oder mehrerer Prüfelemente hat sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, da hierdurch eine Diagnose einzelner Elektrodenarme, anstelle
einer Diagnose einer Kombination aus zwei Elektrodenarmen, möglich
ist.
-
Das
erfindungsgemäße Prüfelement ist beispielsweise
aus einem elektrisch leitenden und hochtemperaturstabilen Material
ausgebildet. Unter einem „elektrisch leitenden Material"
wird im Sinn der vorliegenden Erfindung ein Material mit einer spezifischen Leitfähigkeit
bei Raumtemperatur von ≥ 104 S/m,
beispielsweise von ≥ 105 S/m, insbesondere
von ≥ 106 S/m, verstanden. Unter
einem „hochtemperaturstabilen Material" wird erfindungsgemäß ein
Material verstanden, das beispielsweise bis zu einer Temperatur von
etwa 1000°C keine der für den erfindungsgemäßen
Zweck notwendigen Eigenschaften verliert. Beispielsweise kann das
erfindungsgemäße Prüfelement ein Metall,
wie Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium,
Ruthenium, Iridium oder Rhodium, oder einer Metalllegierung, insbesondere
einer Metalllegierung, umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen,
Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium,
umfassen. Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße
Prüfelement Platin. Im Rahmen einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Prüfelement
um ein schmales Band mit einer Länge in einem Bereich von ≥ 30
mm bis ≤ 70 mm, beispielsweise von ≥ 35 mm bis ≤ 60
mm, insbesondere von ≥ 40 mm bis ≤ 50 mm und einer
Breite in einem Bereich von ≥ 50 μm bis ≤ 2000 μm,
beispielsweise von ≥ 60 μm bis ≤ 500 μm,
insbesondere von ≥ 70 μm bis ≤ 210 μm
und einer Dicke in einem Bereich von ≥ 5 bis ≤ 100 μm,
beispielsweise von ≥ 10 bis ≤ 60 μm,
insbesondere von ≥ 15 bis ≤ 50 μm.
-
Unter
dem Begriff „Teilchen" werden im Sinn der vorliegenden
Erfindung feste und/oder flüssige leitfähige Teilchen,
beispielsweise leitfähige Partikel und/oder Tröpfchen,
insbesondere Rußpartikel, das heißt halbleitender
Kohlenstoff, verstanden.
-
Das
halbleitende Material und/oder das gering leitfähige Material
kann den/die Elektrodenarm/e in einem Bereich von 0,001 ≤ bis ≤ 90%
oder von 0,01 ≤ bis ≤ 50%, beispielsweise von
0,05 ≤ bis ≤ 10%, insbesondere von 0,1 ≤ bis ≤ 7%,
der Elektrodenarmlänge des jeweiligen Elektrodenarms kontaktieren.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine Zuleitung
einer Interdigitalelektrode derart ausgebildet und/oder angeordnet
sein, dass ein Bereich der Zuleitung zur Signalbildung, insbesondere
durch Teilchenanlagerung zwischen dem Bereich der Zuleitung der
einen Interdigitalelektrode und einem Elektrodenarm einer anderen
Interdigitalelektrode, beiträgt und als Elektrodenarm dient.
Vorteilhafterweise kontaktiert das halbleitende Material und/oder
das gering leitfähige Material den als Elektrodenarm dienenden
Bereich der Zuleitung in einem vom Kammrücken der Interdigitalelektrode
abgewandten Teilbereich, beispielsweise an einer Kontaktstelle K.
Hierdurch wird eine Überprüfung der gesamten Länge
des Elektrodenarms ermöglicht.
-
Beispielweise
kann das halbleitende Material und/oder das gering leitfähige
Material in Form einer Leiterbahn; und/oder einer Schicht, welche über,
unter und/oder zwischen dem gesamten Interdigitalelektrodensystem
angeordneten ist; einer oder mehrere Schicht/en, welche unter und/oder über
einem Teilbereich eines Elektrodenarmes oder jeweiliger Teilbereiche
mehrerer Elektrodenarme und/oder einem Teilbereich des Prüfelementes
angeordnet ist/sind und/oder welche einen Teilbereich eines Elektrodenarmes
oder jeweilige Teilbereiche mehrerer Elektrodenarme und/oder einen
Teilbereich des Prüfelementes überzieht/en; ausgebildet
sein.
-
Wenn
das das halbleitende Material und/oder das gering leitfähige
Material in Form einer Schicht ausgebildet ist, welche über,
unter und/oder zwischen dem gesamten Interdigitalelektrodensystem
angeordneten ist, wird ein erfindungsgemäße Teilkontaktierung
der Elektrodenarme durch ein oder mehrere, zwischen dieser Schicht
und den Elektrodenarmen des Interdigitalelektrodensystems liegende,
isolierende Elemente gewährleistet. Das heißt, wenn
das halbleitende Material und/oder das gering leitfähige
Material in Form einer Schicht ausgebildet ist und es gewährleistet
werden soll, dass das halbleitende Material und/oder das gering
leitfähige Material den/die Elektrodenarm/e in einem Bereich
von 0 < bis < 100% oder von 0,001 ≤ bis ≤ 90%
oder von 0,01 ≤ bis ≤ 50%, beispielsweise von
0,05 ≤ bis ≤ 10%, insbesondere von 0,1 ≤ bis ≤ 7%,
der Elektrodenarmlänge des jeweiligen Elektrodenarms kontaktiert,
kann die verbleibende Elektrodenarmlänge des jeweiligen
Elektrodenarms beispielsweise durch eine oder mehrere isolierende
Schichten oder durch ein isolierendes Substrat elektrisch isoliert
werden. Zweckmäßigerweise umfasst ein erfindungsgemäßes
Sensorelement daher mindestens eine isolierende Schicht, die neben,
um, unter und/oder über einem Teilbereich eines Elektrodenarmes
angeordnet ist und/oder die einen Teilbereiche überzieht.
Beispielsweise kann die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid und/oder
Glas ausgebildet sein.
-
Im
Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung weist das in
Form einer über, unter und/oder zwischen dem gesamten Interdigitalelektrodensystem
angeordneten Schicht ausgebildete halbleitenden Material und/oder
gering leitfähige Material
- – einen
Gradienten in der Leitfähigkeit, und/oder
- – einen Gradienten in der Temperatur, der Spannungshöhe,
der Spannungsfrequenz und/oder der Spannungs/Strompolarität
bei der das halbleitende Material leitend wird, und/oder
- – einen Gradienten des Temperaturkoeffizienten des
elektrischen Widerstandes
auf, der sich im Wesentlichen
senkrecht zu den Interdigitalelektrodenarmen vom ersten Elektrodenarm der
ersten Interdigitalelektrode zum letzten Elektrodenarm der zweiten
Interdigitalelektrode hin erstreckt. Unter „im Wesentlichen
senkrecht" wird dabei im Sinn der vorliegenden Erfindung verstanden, dass
der zwischen der Richtung des Gradienten und den Interdigitalelektrodenarmen
eingeschlossene Winkel um bis zu etwa ±10° von
einem rechten Winkel abweichen kann. Einen Gradienten in der Leitfähigkeit,
in der Temperatur, der Spannungshöhe, der Spannungsfrequenz
und/oder der Spannungs/Strompolarität bei der das halbleitende
Material leitend wird, bzw. des Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes ermöglicht es durch eine Änderung
der Beschaltung und/oder der Temperatur einzelne Elektrodenarme
bzw. Elektrodenarm-Paare individuell zu diagnostizieren.
-
Die
Ausbildung eines halbleitenden Materials und/oder eines gering leitfähigen
Materials in Form einer Schicht hat sich gegenüber einer
Ausbildung in Form einer Leiterbahn als vorteilhaft herausgestellt,
da eine solche große Fläche besser herstellbar
ist als viele kleine und exakt zu positionierende Einzelflächen
in Form von Leiterbahnen.
-
Im
Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorelement
zwei oder mehr Elektrodenarm-Paare oder Elektrodenarm/Prüfelement-Paare
auf, die über zwei oder mehr halbleitende Materialien und/oder
gering leitfähige Materialien elektrisch leitend verbindbar/verbunden
sind, Dabei unterscheiden sich die halbleitenden Materialien derart
in ihrer/ihren Komponente/n und/oder der Zusammensetzung ihrer Komponenten,
dass die Elektroden-Paare oder Elektroden/Prüfelement-Paare
bei einer unterschiedlichen Temperaturen, Spannungshöhen,
Spannungsfrequenzen und/oder Spannungs/Strompolaritäten
durch das halbleitende Material des jeweiligen Elektroden-Paares
oder Elektrodenarm/Prüfelement-Paares elektrisch leitend
verbunden werden und/oder einen unterschiedlichen elektrischen Widerstandswert
aufweisen. Entsprechend unterscheiden sich die gering leitfähigen
Materialien derart in ihrer Leitfähigkeit, dass die Elektroden-Paare
oder Elektroden/Prüfelement-Paare einen unterschiedlichen
elektrischen Widerstandswert aufweisen. Dabei setzt sich ein Elektrodenarm-Paar
erfindungsgemäß aus einem Elektrodenarm der ersten Interdigitalelektrode
und einem Elektrodenarm der zweiten Interdigitalelektrode zusammen;
und ein Elektrodenarm/Prüfelement-Paar setzt sich aus einem
Elektrodenarm einer Interdigitalelektrode und dem Prüfelement
zusammen. Dabei sind die Elektrodenarm-Paare bzw. Elektrodenarm/Prüfelement-Paare
erfindungsgemäß untereinander nicht über
ein halbleitendes Material und/oder ein gering leitfähiges
Material elektrisch leitend verbindbar/verbunden.
-
Im
Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform setzt
sich ein Elektrodenarm-Paar aus benachbarten Elektrodenarmen der
ersten und zweiten Interdigitalelektrode zusammen. Beispielsweise umfasst
das Sensorelement zwei oder mehr, beispielsweise drei oder mehr,
insbesondere vier oder mehr, Elektrodenarm-Paare oder Elektrodenarm/Prüfelement-Paare
auf. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform
sind alle Elektrodenarme über jeweils unterschiedliche
halbleitende Materialien und/oder gering leitfähige Materialien
entweder zu Elektrodenarmpaaren oder Elektrodenarm-Prüfelement-Paaren
elektrisch leitend verbindbar/verbunden.
-
Vorzugsweise
ist ein halbleitendes Material im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ab einer Temperatur von ≥ 400°C, beispielsweise
von ≥ 500°C, insbesondere von ≥ 550°C;
und/oder ab einer an dem halbleitenden Material angelegten Spannungshöhe
von ≥ 1 V, beispielsweise von ≥ 30 V, insbesondere
von ≥ 50 V; und/oder ab einer Frequenz einer an dem halbleitenden
Material angelegten Spannung von ≥ 1 s–1,
beispielsweise von ≥ 300 s–1, insbesondere
von ≥ 5000 s–1; und/oder
nur bei einer Polarität einer/s an dem halbleitenden Material
angelegten Spannung/Stroms; elektrisch leitend. Beispielsweise weist
ein erfindungsgemäßes halbleitendes Material ab
einer Temperatur von ≥ 400°C, beispielsweise von ≥ 500.°C,
insbesondere von ≥ 550°C; und/oder ab einer an
dem halbleitenden Material angelegten Spannungshöhe von ≥ 1
V, beispielsweise von ≥ 30 V, insbesondere von ≥ 50
V; und/oder ab einer Frequenz einer an dem halbleitenden Material
angelegten Spannung von ≥ 1 s–1,
beispielsweise von ≥ 300 s–1,
insbesondere von ≥ 5000 s–1;
und/oder nur bei einer Polarität einer/s an dem halbleitenden
Material angelegten Spannung/Stroms; eine spezifische elektrische
Leitfähigkeit von ≥ 10–5 S/m,
beispielsweise von ≥ 10–3 S/m, insbesondere
von ≥ 0,1 S/m auf.
-
Beispielsweise
umfasst ein erfindungsgemäßes haibleitendes Material
ein Delafosit, beispielsweise CuAlO2, Siliciumcarbid,
nitridgebundenes Siliciumcarbid, nitridgebundenes Siliciumaluminiumcarbid,
dotiertes oder undotiertes Rutheniumoxid, dotiertes oder undotiertes
Indiumoxid, dotiertes Zirkoniumoxid, dotiertes Aluminiumoxid, dotiertes
und/oder undotiertes Zinkoxid, insbesondere undotiertes Rutheniumdioxid,
zinndotiertes Indiumoxid, yttriumdotiertes Zirkoniumdioxid, eisen-,
mangan-, und/oder magnesium-dotiertes Aluminiumoxid und/oder Zinkoxid.
-
Das
gering leitfähige Material weist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung beispielsweise eine spezifische Leitfähigkeit
bei Raumtemperatur von ≥ 10–8 S/m
bis ≤ 102 S/m auf.
-
Beispielsweise
umfasst das gering leitfähige Material ein Matrixmaterial
beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminiumoxid und/oder
Glas dessen Leitfähigkeit, beispielsweise durch den Einbau
von elementarem Platin, Rutheniumdioxid, Eisenoxid, Manganoxid,
Titandioxid, Siliziumdioxid, Calciumoxid und/oder Magnesium, gezielt eingestellt
wird.
-
Im
Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist
mindestens jeweils ein Elektrodenarm der ersten Interdigitalelektrode
mit jeweils einem Elektrodenarm der zweiten Interdigitalelektrode;
oder mindestens ein Elektrodenarm einer Interdigitalelektrode mit
einem Prüfelement; über ein halbleitendes Material
und über ein elektrisch leitendes Material leitend verbindbar,
wobei das elektrisch leitende Material als solches keine elektrisch
leitende Verbindung zwischen den beiden Interdigitalelektroden,
oder einer oder beiden Interdigitalelektrode/n und dem Prüfelement
herstellt.
-
Vorzugsweise
weist das elektrisch leitende Material eine spezifische Leitfähigkeit
bei Raumtemperatur von ≥ 104 S/m,
beispielsweise von ≥ 105 S/m, insbesondere
von ≥ 106 S/m auf. Beispielsweise kann
das elektrisch leitende Material ein Metall, wie Platin, Kupfer,
Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium
oder Rhodium, oder eine Metalllegierung, insbesondere eine Metalllegierung
umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium,
Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium, oder eine elektrisch leitende
Keramik, umfassen.
-
Beispielsweise
ist das elektrisch leitende Material in Form einer Leiterbahn; und/oder
einer Schicht, welche über, unter und/oder zwischen dem gesamten
Interdigitalelektrodensystem angeordneten ist; und/oder eines oder
mehrerer Streifen/s, der/die über, unter und/oder zwischen
den Interdigitalelektroden angeordneten ist/sind, ausgebildet ist.
-
Das
elektrisch leitende Material kann in Form einer über, unter
und/oder zwischen dem gesamten Interdigitalelektrodensystem angeordneten
Schicht oder in Form von zwei, jeweils über, unter und/oder zwischen
den Elektrodenarmenden einer Interdigitalelektroden angeordneten
Streifen ausgebildet sein, wobei die Elektrodenarme über
mindestens eine isolierende Schichte und über jeweils an
den Elektrodenarmenden angeordnete unterschiedliche halbleitende
Materialien von der elektrisch leitenden Schicht oder den elektrisch
leitenden Streifen getrennt sind, wobei die halbleitenden Materialien
derart ausgewählt und angeordnet werden, dass jedes halbleitende
Material an jedem Elektrodenarmende bei einer anderen Temperatur
und/oder daran angelegter Spannungshöhe, Spannungsfrequenz
und/oder der Spannungs/Strompolarität, elektrisch leitend
wird und der jeweilige Elektrodenarm über das jeweilige halbleitende
Material und die elektrisch leitenden Schicht oder den jeweiligen
elektrisch leitenden Streifen mit einem Prüfelement elektrisch
leitend verbunden wird; oder jeweils zwei halbleitende Materialien
an zwei Elektrodenarmenden unterschiedlicher Interdigitalelektroden
bei der gleichen, jedoch einer von den halbleitenden Materialen
der anderen Elektrodenarme unterschiedlichen, Temperatur und/oder daran
angelegter Spannungshöhe, Spannungsfrequenz und/oder der
Spannungs/Strompolarität, elektrisch leitend werden und
die jeweiligen Elektrodenarme über das jeweilige halbleitende
Material und die elektrisch leitenden Schicht miteinander und/oder
mit einem Prüfelement elektrisch leitend verbunden werden.
-
Unterscheiden
sich die charakteristischen Eigenschaften für jeden Elektrodenarm
einer Interdigitalelektrode, so kann gezielt jeder einzelne Elektrodenarm
auf seine Funktion geprüft werden, indem die Bedingung
für die elektrische Leitung eingestellt und beispielsweise
der Widerstand zwischen dem Prüfelement und der entsprechenden
Interdigitalelektrode gemessen wird. Darüber hinaus kann
auch je ein Elektrodenarm jeder Interdigitalelektrode durch ein Material
gleicher Eigenschaften von der elektrisch leitenden Schicht getrennt
werden und ein solches Elektrodenarm-Paar auf seine Funktion geprüft
werden, indem die Bedingung für die elektrische Leitung eingestellt
wird und beispielsweise der Widerstand zwischen den beiden entsprechenden
Interdigitalelektroden gemessen wird.
-
Insofern
das erfindungsgemäße Sensorelement über
zwei elektrisch leitfähige Streifen verfügt, so
sind diese vorzugsweise derart im Wesentlichen senkrecht zu den
Elektrodenarmen des Interdigitalelektrodensystem angeordnet, dass
jeweils ein elektrisch leitender Streifen die Elektrodenarmenden
einer Interdigitalelektrode über halbleitende Materialien
kontaktiert. Unter „im Wesentlichen senkrecht" wird dabei
im Sinn der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der zwischen
den Elektrodenarmen und den Streifen eingeschlossene Winkel um bis
zu etwa ±10° von einem rechten Winkel abweichen kann.
Eine oder mehrere über oder unter den Elektrodenarmen der
jeweiligen anderen Interdigitalelektrode angeordnete isolierende
Schicht verhindert erfindungsgemäß einen Kurzschluss
der beiden Interdigitalelektroden. Die Verwendung von zwei elektrisch leitenden
Streifen hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da hierdurch elektrisch
leitendes Material eingespart und Materialkosten gesenkt werden
können. Vorteilhafterweise lässt sich die elektrisch
leitfähige Schicht auch bei Sensoren, die kein Prüfelement
umfassen, auf zwei jeweils an den Elektrodenarmenden der Interdigitalelektroden
angeordnete Streifen reduzieren. Beispielsweise kann bei Sensorelementen ohne
Prüfelement durch eine elektrisch leitende Verbindung einer
der Interdigitalelektroden mit einem der Streifen, beispielsweise
durch ein Loch in der isolierenden Schicht der Interdigitalelektrode,
eine der Interdigitalelektroden die Funktion des Prüfelementes übernehmen.
-
Ein
erfindungsgemäßes Sensorelement kann ein Substrat
umfassen. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße
Substrat, beispielsweise platten- oder schichtförmig, aus
einem isolierenden Material, beispielsweise einer Keramik oder einem
Glas, insbesondere Aluminiumdioxid, ausgebildet. Das Interdigitalelektrodensystem
kann auf einfache Weise durch Verfahren wie Siebdruckverfahren oder
auch durch Dünnschichtverfahren wie Sputtern auf das Substrat
aufgedruckt werden.
-
Vorzugsweise
werden die Interdigitalelektrode/n durch die mindestens eine isolierende
Schicht und/oder ein isolierende Substrat teilweise von dem halbleitenden
Material und/oder dem gering leitfähigen Material; und/oder
vollständig von dem elektrisch leitenden Material; elektrisch
isoliert.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor mit
Eigendiagnosefunktion zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom,
umfassend
- – ein erfindungsgemäßes
Sensorelement,
- – eine an die Interdigitalelektroden des Sensorelementes
angeschlossene Spannungs/Stromversorgungs-, Spannungsmess- und/oder
Strommessvorrichtung, und
- – eine Auswertungsvorrichtung, die das/die Signal/e
auswertet, welche durch die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung
der Interdigitalelektroden (3, 4) gemessen werden.
-
Insofern
das erfindungsgemäße Sensorelement ein Prüfelement
umfasst, ist das Prüfelement beispielsweise über
einen Schalter an die Spannungs/Stromversorgungs-, Spannungsmess und/oder
Strommessvorrichtung der Interdigitalelektroden angeschlossen sein
oder an ein eigene Spannungs/Stromversorgungs-, Spannungsmess- und/oder
Strommessvorrichtung angeschlossen, die zudem an die Interdigitalelektrode/n
angeschlossen ist, wobei die Auswertungsvorrichtung auch das/die Signal/e
auswertet, welche die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung
des Prüfelements gemessen werden.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Eigendiagnose eines erfindungsgemäßen Sensorelementes
und/oder eines erfindungsgemäßen Sensors, in dem
- – an die über das gering
leitfähige Material elektrisch leitend verbundenen Interdigitalelektroden oder
an die über das gering leitfähige Material mit dem
Prüfelement elektrisch leitend verbundene/n Interdigitalelektrode/n
eine Spannung angelegt wird, und/oder
- – an die über das halbleitende Material elektrisch leitend
verbindbaren Interdigitalelektroden oder an die über das
halbleitende Material mit dem Prüfelement elektrisch leitend
verbindbare/n Interdigitalelektrode/n eine Spannung angelegt wird, wobei
eine Temperatur eingestellt wird, und/oder an das halbleitende Material
eine Spannung angelegt wird, bei deren Höhe, Frequenz und/oder Polarität
mindestens ein halbleitendes Material elektrisch leitend ist; und
- – der resultierende Stromfluss und/oder Spannungsabfall
gemessen und ausgewertet wird; und
- – das resultierende Ergebnis als Maß für
die Funktion des Sensorelementes und/oder Sensors ausgegeben wird.
-
Die
Diagnose kann im Fall eines Dauersignals aufgrund eines gering leitfähigen
Materials kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten, beispielsweise
nach der Regeneration erfolgen. Im Fall eines halbleitenden Materials
erfolgt die Diagnose dann, wenn die entsprechende Bedingung, bei
der ein halbleitendes Material elektrisch leitend wird, eingestellt ist.
Die Auswertung des resultierenden Stromflusses und/oder Spannungsabfalls
erfolgt beispielsweise indem der Betrag des gemessenen Stromflusses und/oder
Spannungsabfalls mit einem festgelegten Wert, oder dem Betrag der
ersten Eigendiagnosemessung oder dem Betrag einer vorherigen Eigendiagnosemessung
verglichen wird.
-
Vorzugsweise
wird durch das Einstellen verschiedener Temperaturen, und/oder durch
das Anlegen verschiedener Spannungshöhen, Spannungsfrequenzen
und/oder Spannungs/Strompolaritäten an mehrere halbleitende
Materialien, jeweils ein anderes halbleitendes Material elektrisch
leitend und verbindet das über das jeweilige halbleitende
Material verbindbare Elektrodenarm-Paar oder Elektrodenarm/Prüfelement-Paar
elektrisch leitend.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem erfindungsgemäßen
Sensorelement und/oder einem erfindungsgemäßen
Sensor, indem in einer Messphase an die Interdigitalelektroden des
Sensorelements eine Messspannung angelegt wird, wobei sich durch
Anlagerung von Teilchen bildende Teilchenpfade die Interdigitalelektroden
kurzschließen, und der sich einstellende Stromfluss, Spannungsabfall
und/oder elektrische Widerstand gemessen und als Maß für
die Konzentration und/oder den Massenstrom der Teilchen ausgegeben
wird, und in einer an die Messphase anschließenden Regenrationsphase
die angelagerten Teilchen teilweise oder vollständig entfernt
werden dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach
der Mess- und/oder Regenerationsphase das erfindungsgemäße
Verfahren zur Eigendiagnose eines erfindungsgemäßen
Sensorelementes und/oder eines erfindungsgemäßen
Sensors durchgeführt wird und in Abhängigkeit
von dem Ergebnis der Eigendiagnose, eine Kompensationsfunktion oder
eine elektrische Beschaltung der Interdigitalelektroden angepasst
wird, oder das Sensorelement und/oder der Sensor als defekt gemeldet
wird.
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Vorzugsweise
wird die Eigendiagnose ohne angelagerte Teilchen, beispielsweise
während des Endes der Regenerationsphase oder nach der
Regenerationsphase, vorgenommen um störende Einflüsse
durch angelagerte Teilchen zu vermeiden.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, Sensors
und/oder Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung
oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität
oder in einem Ruß-Partikel-Sensoren, insbesondere Ruß-Partikel-Sensoren
für „on board diagnosis" (OBD), und/oder zur Überwachung
der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines
Dieselmotors, oder einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung
oder eines Ofens, und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit
eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes
eines Partikelfilters, beispielsweise eines Diesel-Partikel-Filters
(DPF), oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen,
Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10149333
A1 [0003]
- - WO 2003006976 A2 [0003]
