DE102007046099A1

DE102007046099A1 - Sensorelement zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom und Verfahren zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands von Sensorelementen

Info

Publication number: DE102007046099A1
Application number: DE200710046099
Authority: DE
Inventors: Thomas Marc Kammerer; Henrik Schittenhelm; Sabine Roesch; Lothar Diehl; Benjamin Gaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement (1) zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom, umfassend ein Messelektrodensystem (2) mit mindestens einer ersten (3) und einer zweiten (4) kammartig ineinander greifenden Messelektrode, welche über nebeneinander angeordnete Messelektrodenzuleitungen (5, 6) an Messelektrodenkontakte (7, 8) angeschlossen sind, eine Isolationsschicht (9) und eine Trägerschicht (10), wobei die Messelektroden (3, 4), Messelektrodenzueleitungen (5, 6) und Messelektrodenkontakte (7, 8) auf der Isolationsschicht (9) angeordnet sind und wobei die Isolationsschicht (9) auf der Trägerschicht (10) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Messelektrodenzuleitungen (5, 6) mit jeweils einer Messelektrodenzuleitungsisolation (11, 12) versehen sind, wobei die Messelektrodenzuleitungsisolation (11, 12) die Messelektrodenzuleitung (5, 6) umgibt oder über und/oder neben der Messelektrodenzuleitung (5, 6) oder über und/oder neben und unter der Messelektrodenzuleitung (5, 6) angeordnet ist. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands RN des Sensorelements (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom, sowie ein Verfahren zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N von Sensorelementen.
Stand der Technik
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. 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.
Eine Möglichkeit hierzu bieten aus dem Stand der Technik bekannte resistive Partikelsensoren. Derzeit sind resistive Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische, kammartig ineinander greifende Messelektroden (Interdigitalelektroden) auf einer Isolationsschicht ausgebildet sind. Unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung lagern sich dabei Partikel an, welche die Messelektroden kurzschließen. Mit steigender Partikelkonzentration kann auf der Sensorfläche ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Messelektroden bestimmt werden. Nach Erreichen eines Schwellwertes kann ein sich ändernder Sensorstrom gemessen werden, der mit der Zunahme der Partikelmasse auf der Sensoroberfläche korreliert werden kann. Zur Regeneration des Sensors nach der Partikelanlagerung kann der Sensor mit Hilfe einer integrierten Heizvorrichtung freigebrannt werden.
Da bei einem Einsatz zur „on board diagnosis" der Sensor bezüglich eines Partikelfilters stromabwärts des Abgasstroms angeordnet ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Filter an der Stelle, an der der Sensor angeordnet ist, keine Partikel, 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.
Die Empfindlichkeit eines solchen Partikelsensors wird von der Isolation zwischen den Messelektroden beeinflusst. Wenn die isolierende Wirkung der Isolation zwischen den Messelektroden, beispielsweise durch Auswirkungen von Materialermüdung und Vergiftungserscheinungen, insbesondere durch leitfähige Ascheablagerungen, herabgesetzt ist, kann dies zu einem von der Partikelanlagerung unabhängigen Kurzschluss bzw. Kriechstrom führen, welcher als Nebenschluss bezeichnet wird und eine Partikelbelegung vortäuscht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 12 haben den Vorteil, dass einerseits durch die Verwendung von erfindungsgemäßen Messelektrodenzuleitungsisolationen ein durch Vergiftungserscheinungen verursachter Nebenschluss im Messelektrodenzuleitungsbereich verhindert werden kann und andererseits gegebenenfalls im Messelektrodenbereich und Messelektrodenzuleitungsbereich entstehende Nebenschlüsse erfasst und im Messsignal kompensiert werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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.
1a ist eine Draufsicht auf ein herkömmliches Sensorelement zur Detektion von Partikeln;
1b ist ein Schaltbild eines in 1a gezeigten, herkömmlichen Sensorelements mit Nebenschluss;
1c ist ein Graph und veranschaulicht den Einfluss eines konstanten Nebenschlusses auf den Widerstandsverlauf eines in 1a gezeigten, herkömmlichen Sensorelementes;
2 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen;
3a ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen und einer Prüfelektrode mit einem ersten Leitungselement;
3b ist ein Schaltbild des in 3a gezeigten, erfindungsgemäßen Sensorelements mit Nebenschluss;
3c ist ein Graph und veranschaulicht den Einfluss eines Nebenschlusses auf das Signal des Widerstandsverlaufs eines in 3b gezeigten, erfindungsgemäßen Sensorelementes;
4a ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen und einer Prüfelektrode mit einem ersten und zweiten Leitungselement;
4b ist ein Schaltbild des in 4a gezeigten, erfindungsgemäßen Sensorelements mit Nebenschluss;
5 ist eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen, einer Prüfelektrode mit einem ersten Leitungselement, einer Isolationsschichtaussparung und einer Prüfschicht;
6 ist eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen, einer Prüfelektrode mit einem ersten und einem zweiten Leitungselement, einer Isolationsschichtaussparung und einer Prüfschicht; und
7 ist eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen, einer Prüfelektrode mit einem ersten, zweiten und dritten Leitungselement, einer Isolationsschichtaussparung und einer Prüfschicht.
Beschreibung der Abbildung
1a zeigt ein herkömmliches Sensorelement zur Detektion von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Gasstrom. Ein derartiges Sensorelement umfasst ein Messelektrodensystem 2 mit mindestens einer ersten 3 und einer zweiten 4 kammartigen Messelektrode, wobei die beiden Messelektroden 3, 4 kammartig ineinander greifen. Die Messelektroden 3, 4 sind dabei über nebeneinander angeordnete Messelektrodenzuleitungen 5, 6 an Messelektrodenkontakte 7, 8 angeschlossen. Wie 1a zeigt, umfasst das Sensorelement weiterhin eine Isolationsschicht 9 und eine Trägerschicht 10. Dabei sind die Messelektroden 3, 4, die Messelektrodenzuleitungen 5, 6 und die Messelektrodenkontakte 7, 8 auf der Isolationsschicht 9 angeordnet, wobei die Isolationsschicht 9 wiederum auf der Trägerschicht 10 angeordnet ist. Während des Gebrauchs eines solchen Sensorelementes können jedoch Alterungs- und Vergiftungseffekte sowie eine Anlagerung von Partikeln zwischen den Messelektrodenzuleitungen 5, 6 dazu fahren, dass die isolierende Wirkung der Isolationsschicht 9 abnimmt und ein Nebenschluss (Kurzschluss) zwischen den Messelektrodenzuleitungen 5, 6 beziehungsweise Messelektroden 3, 4 entsteht, der eine Detektion von Partikeln an den Messelektroden vortäuscht.
Das in 1b gezeigte Schaltbild veranschaulicht einen derartigen Nebenschlusses bei einem herkömmlichen Sensorelement. Wie 1b zeigt ist der Widerstand des Nebenschlusses R_N dem Widerstand R_P, der durch Partikelanlagerung hervorgerufen und zur Detektion der Partikel herangezogen wird, parallel geschaltet.
Der Einfluss eines Nebenschlusses auf den Widerstandsverlauf während der Partikeldetektion mit einem herkömmlichen Sensorelement wird in 1c veranschaulicht. 1c zeigt, dass die Detektion von Partikeln mit einem herkömmlichen Sensorelement nur möglich ist, insofern der Nebenschlusswiderstand R_N deutlich größer als der Widerstand durch Partikelanlagerung R_P ist, da ansonsten das durch den Nebenschluss hervorgerufene Signal das Signal von den zu detektierenden Partikeln überdeckt.
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 zur Detektion von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Gasstrom. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform sowie die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen heben sich dadurch von einem herkömmlichen, bereits im Zusammenhang mit 1a beschriebenen Sensorelement ab, dass die Messelektrodenzuleitungen 5, 6 jeweils eine Messelektrodenzuleitungsisolation 11, 12 aufweisen, wobei die Messelektrodenzuleitungsisolation 11, 12 die Messelektrodenzuleitung 5, 6 umgibt oder über und/oder neben der Messelektrodenzuleitung 5, 6 oder über und/oder neben und unter der Messelektrodenzuleitung 5, 6 angeordnet ist. Die Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 können dabei, beispielsweise mittels Siebdruck, auf den Messelektrodenzuleitungen 5, 6 aufgedruckt sein. Durch eine erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung von Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 wird vorteilhafterweise verhindert, dass eine Partikel- und/oder Ascheablagerungen auf der Isolationsschicht 9 im Bereich zwischen den nebeneinander angeordneten Messelektrodenzuleitungen 5, 6 einen Nebenschluss der Messelektrodenzuleitungen 5, 6 verursacht.
3a zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1. Diese Ausführungsform sowie die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 heben sich – neben den erfindungsgemäßen Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 – dadurch von einem herkömmlichen, bereits im Zusammenhang mit 1a beschriebenen Sensorelement ab, dass das Sensorelement 1 eine Prüfelektrode 13 umfasst. Im Rahmen der in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen ist die Prüfelektrode 13 auf der Isolationsschicht 9 angeordnet. Die Prüfelektrode kann im Rahmen dieser Ausführungsformen folglich frei auf der Oberfläche des Sensorelementes angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße Prüfelektrode 13 hat den Vorteil, dass durch die Prüfelektrode 13 unter Durchführung der nachfolgend erläuterten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Nebenschluss des erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 ermittelt und aus dem Messsignal der Messelektroden 3, 4 kompensiert werden kann.
Dass die Prüfelektrode 13 erfindungsgemäß zumindest teilweise zwischen den Messelektrodenzuleitungen 5, 6 angeordnet ist, hat zudem den Vorteil, dass die Messelektrodenzuleitungen voneinander abgeschirmt sind.
3a zeigt, dass die Prüfelektrode 13 ein erstes Leitungselement 14 aufweist. Dieses erste Leitungselement 14 ist zwischen den Messelektrodenzuleitungen 11, 12 angeordnet. Beispielsweise erstreckt sich das erste Leitungselement 14, wie in 3a gezeigt, über die gleiche Länge wie die Messelektrodenzuleitungen 5, 6. Dieses erste Leitungselement 14 kann wie in 3a gezeigt ein lineares Leitungselement sein, welches im Wesentlichen parallel zu den Messelektrodenzuleitungen 5, 6 ausgebildet und/oder angeordnet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das erste Leitungselement 14 wie in 3a gezeigt über beziehungsweise auf der Isolationsschicht 9 angeordnet sein. Das erste Leitungselement 14 kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch wie nachfolgend im Zusammenhang mit 5, 6 und 7 erläutert, zwischen der Isolationsschicht 9 und der Trägerschicht 10 angeordnet sein.
Die Prüfelektrode 13 ist über das erste Leitungselement 14 mit einem Prüfelektrodenkontakt 18 elektrisch leitend verbunden. Dieser Prüfelektrodenkontakt 18 kann über eine nicht dargestellte Kontaktiereinheit und vorzugsweise über die Abschirmung der Einzeladern eines ebenfalls nicht dargestellten Zuleitungskabels kontaktiert werden. Insofern das Sensorelement eine, beispielsweise getaktete, Heizvorrichtung umfasst, kann die Prüfelektrode 13 vorteilhafterweise an einen Kontakt der Heizvorrichtung, beispielsweise über die Abschirmung der Einzeladern des nicht dargestellten Zuleitungskabels, angeschlossen werden. In diesem Fall könnte der andere Kontakt der Heizvorrichtung entweder mitgetaktet oder potenzialfrei geschaltet werden. Vorzugsweise wird die getaktete Leitung an einen ersten Analog-Digital-Umsetzer (ADC, „analogue digital converter") eines Steuergeräts gelegt, um die erzeugte Wechselspannung als Eingangsgröße der Kompensation zu überwachen. Diese Art und Weise die Prüfelektrode 13 an eine Heizvorrichtung anzuschließen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da außer dem herkömmlicherweise vorhandenen Heizvorrichtungsanschluss, keine weiteren Anschlüsse zum Betrieb der Prüfelektrode 13 benötigt werden. Da die Heizvorrichtung nur periodisch zur Regeneration betrieben wird, in diesen Phasen aber eine Nebenschlusskompensation nicht unbedingt erforderlich ist, wird die Funktion der Heizvorrichtung durch den Anschluss der Prüfelektrode 13 nicht beeinträchtigt.
3b ist ein Schaltbild der in 3a gezeigten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 mit Nebenschluss. 3b veranschaulicht, dass im Rahmen einer ersten Alternative einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1, die Prüfelektrode 13 auf ein unabhängiges, moduliertes Potenzial U_mod gelegt wird. Der Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der Prüfelektrode 13 am Messsignal der Messelektroden 3, 4 wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt und aus dem ermittelten Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der Prüfelektrode 13 der Nebenschlusswiderstand R_N bestimmt. Der auf diese Weise bestimmte Nebenschlusswiderstand R_N wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren anschließend aus dem Messsignal der Messelektroden 3, 4 kompensiert. Das Anlegen eines unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod an die Prüfelektrode 13 kann durch Anschluss der Prüfelektrode 13 an einen Kontakt einer getakteten Heizvorrichtung in einfacher Weise gewährleistet werden. Vorzugsweise ist das an der Prüfelektrode 13 angelegte, unabhängige, modulierte Potenzial U_mod eine Wechselspannung, insbesondere eine Rechtecksspannung. Beispielsweise kann das Messsignal der Messelektroden 3, 4 im Rahmen aller Ausführungsformen des erfindungemäßen Verfahrens über einen Lock-in-Verstärker verstärkt werden. Im Rahmen dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Potenzial der Prüfelektrode 13 in drei wiederkehrenden Verfahrensschritten umgeschaltet, wobei die Prüfelektrode 13 in einem ersten Verfahrensschritt auf das Potenzial der ersten Messelektrode 3, in einem zweiten Verfahrensschritt auf das Potenzial der zweiten Messelektrode 4 und in einem dritten Verfahrensschritt potenzialfrei geschaltet. Das Potenzial der ersten Messelektrode 3 und der zweiten Messelektrode 4 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils entweder auf Masse oder auf eine Spannung von beispielsweise von ≥ 10 V bis ≤ 100 V, insbesondere von ≥ 15 V bis ≤ 80 V oder ≥ 20 V bis ≤ 65 V, gelegt werden. Die drei Verfahrensschritte können innerhalb der Messphase und/oder der Regenerationsphase des Sensorelementes 1 mehrfach durchlaufen werden. Vorzugsweise können die drei Verfahrensschritte innerhalb der Messphase und der Regenerationsphase des Sensorelementes 1 mehrfach durchlaufen werden. Dies hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da hierdurch die Temperaturabhängigkeit des Nebenschlusses bestimmt werden kann. Aus der Änderung des Widerstands zwischen den beiden Messelektroden 3, 4 in den einzelnen Verfahrensschritten lassen sich die beiden Kopplungswiderstände und damit der Nebenschluss ermitteln. Da die Änderung des Nebenschlusses langsam im Vergleich zur durch Partikelanlagerung hervorgerufenen Messsignaländerung erfolgt, kann der Einfluss eines Nebenschlusses wirksam aus dem Messsignal der Messelektroden 3, 4 kompensiert werden.
In 3c sind das unabhängige, modulierte Potenzial U_mod der Prüfelektrode 13, das modulierte Messsignal R_mod und das kompensierte Messsignal R_komp in der Messphase für den Fall, dass der Partikelwiderstand R_P größer als der Nebenschlusswiderstand R_N ist, gegen die Zeit aufgetragen. 3c veranschaulicht den Widerstandsverlauf nach Auslösung des Sensors und Aufbringung einer Modulation durch Anlegen einer Wechselspannung auf die Prüfelektrode 13. 3c zeigt, dass durch Verwenden eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 und/oder Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Nebenschlusswiderstand R_N bestimmt und kompensiert werden kann.
4a zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1, welches neben zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 und einer Prüfelektrode 13 mit einem ersten Leitungselement 14 ein zweites Leitungselement 15 aufweist.
Dieses zweite Leitungselement 15 ist im Rahmen dieser Ausführungsform derart ausgebildet und angeordnet, dass – neben der Ausbildung von Partikelbrücken, insbesondere Rußbrücken, zwischen den Messelektroden 3, 4 – eine Partikelbrücke, insbesondere Rußbrücke, zwischen einer Messelektrode 3, 4, insbesondere der ersten Messelektrode 3, und der Prüfelektrode 13 aufgebaut werden kann. Daher ist das zweite Leitungselement 15 zweckmäßigerweise zwischen dem ersten Leitungselement 14 und dem Messelektrodensystem 2 angeordnet. Dabei kontaktiert das zweite Leitungselement 15 das erste Leitungselement 14 elektrisch leitend. Wobei das zweite Leitungselement 15 zu dem Messelektrodensystem 2 beabstandet angeordnet ist. Vorzugsweise ist das zweite Leitungselement 15 derart parallel zu dem Kammrücken (K) einer der Messelektroden 3, 4 oder parallel zu einem der Elektrodenarme (E) einer der Messelektroden 3, 4 ausgebildet und/oder angeordnet, dass der Abstand (d_PM) zwischen dem zweiten Leitungselement 15 und dem Kammrücken (K) oder Elektrodenarm (E) in der gleichen Größenordnung liegt, beziehungsweise im Wesentlichen gleich groß ist, wie der Abstand (d_MM) zwischen zwei benachbarten Elektrodenarmen (E) unterschiedlicher Messelektroden 3, 4. Dabei wird im Sinn der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „parallel" neben der Anordnung von parallelen Geraden auch eine Anordnung von sich gekrümmt erstreckenden Linien verstanden, solange diese einen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann das zweite Leitungselement 15 das dem Messelektrodensystem 2 zugewandte Ende des ersten Leitungselements 14 derart kontaktieren, dass die beiden Leitungselemente 14, 15 T-förmig angeordnet sind. Das zweite Leitungselement 15 kann jedoch auch wie nachfolgend in 6 gezeigt fluchtend mit dem ersten Leitungselement 14 angeordnet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das zweite Leitungselement 15 wie in 4a gezeigt über der Isolationsschicht 9 angeordnet sein. Das zweite Leitungselement 15 kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch, wie nachfolgend im Zusammenhang mit 7 erläutert, zwischen der Isolationsschicht 9 und der Trägerschicht 10 angeordnet sein. Vorzugsweise ist das zweite Leitungselement 15 in einem Bereich des Sensorelementes 1 angeordnet, welcher dem zu detektierenden, partikelbeladenen Gasstrom ausgesetzt ist.
4b ist ein Schaltbild der in 4a gezeigten dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 mit Nebenschluss. 4b veranschaulicht, dass im Rahmen einer zweiten Alternative der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 die Prüfelektrode 13 über eine Partikelbrücke mit dem Widerstand R_P mit der erste Messelektrode 3 elektrisch leitend verbunden ist, wobei die zweite Messelektrode 4 auf ein unabhängiges, moduliertes Potenzial U_mod gelegt ist. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch ebenso möglich anstelle der zweiten Messelektrode 4 ein unabhängiges, moduliertes Potenzial U_mod auf die erste Messelektrode 3 oder insbesondere die Prüfelektrode 13 zu legen. Vorteilhafterweise kann im Rahmen dieser Ausführungsform durch das Aufbringen eines modulierten Potentials U_mod auf die zweite Messelektrode 4 der Nebenschlusswiderstand R_N zwischen den beiden Messelektroden 3, 4 gemessen werden und damit zusätzlich zur Kompensation auftretender Nebenschlüsse die Alterungs- bzw. Vergiftungsauswirkungen im Messelektrodenbereich über die Lebensdauer des Sensorelementes 1 bestimmt werden.
Im Rahmen dieser Alternative der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 wird die zweite Messelektrode 4 auf ein unabhängiges, moduliertes Potenzial U_mod gelegt. Der Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der zweiten Messelektrode 4 am Messsignal der Messelektroden 3, 4 wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt und aus dem ermittelten Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der zweiten Messelektrode 4 der Nebenschlusswiderstand R_N bestimmt. Der auf diese Weise bestimmte Nebenschlusswiderstand R_N wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren anschließend aus dem Messsignal der Messelektroden 3, 4 kompensiert. Zum Anlegen eines unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod an die zweite Messelektrode 4, kann die zweite Messelektrode 4 als getaktete Leitung vorzugsweise an einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer (ADC, „analogue digital converter") eines Steuergeräts gelegt werden. Hierdurch kann die erzeugte Wechselspannung als Eingangsgröße der Kompensation überwacht werden. Vorzugsweise ist die Prüfelektrode 13 im Nebenschlussmessmodus, insofern das Sensorelement eine Heizvorrichtung umfasst, an einen oder beide Anschlüsse der Heizvorrichtung angeschlossen, wobei entweder einer der Anschlüsse potenzialfrei geschaltet wird und der andere Anschluss beziehungsweise beide Anschlüsse der Heizvorrichtungsanschlüsse auf Messpotenzial, das heißt entweder auf Masse oder auf eine Spannung von beispielsweise von ≥ 10 V bis ≤ 100 V, insbesondere von ≥ 15 V bis ≤ 80 V oder ≥ 20 V bis ≤ 65 V, geschaltet. Vorzugsweise ist das an der zweiten Messelektrode 4 angelegte, unabhängige, modulierte Potenzial U_mod eine Wechselspannung, insbesondere eine Rechtecksspannung.
Soll keine Messung des Nebenschlusses durchgeführt werden, dann kann das Messelektrodensystem 2 regulär betrieben werden, indem die Prüfelektrode, und gegebenenfalls die Heizvorrichtung, potenzialfrei geschaltet werden.
Solange nur eine Messung eines Nebenschlusses im Bereich der Messelektrodenzuleitungen 5, 6 durchgeführt werden soll, werden – im Rahmen einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N eines erfindungsgemäßen Sensorelements – die Prüfelektrode 13 und die beiden Messelektroden 3, 4 in einem ersten Verfahrensschritt derart geschaltet, dass die Prüfelektrode 13 das Potenzial der ersten Messelektrode 3 aufweist, welches sich jedoch von dem Potenzial der zweiten Messelektrode 4 unterscheidet. Beispielsweise können bei diesem Verfahrensschritt sowohl die Prüfelektrode 13 als auch die benachbarte erste Messelektrode 3 auf Masse gelegt werden, während an die zweite Messelektrode 4 eine Spannung von beispielsweise von ≥ 10 V bis ≤ 100 V, insbesondere von ≥ 15 V bis ≤ 80 V oder ≥ 20 V bis ≤ 65 V, angelegt wird, oder umgekehrt. Dies bewirkt, dass keine elektrophoretisch bedingte Partikelanlagerung zwischen der ersten Messelektrode 3 und der Prüfelektrode 13 stattfindet und das Sensorelement in diesem Fall entsprechend der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann.
Wird jedoch eine Nebenschlussmessung oder Vergiftungsgradmessung des Bereichs des Messelektrodensystems 2 verlangt, beispielsweise durch entsprechende Softwarevorgaben eines Steuergeräts, werden – im Rahmen dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens – die Prüfelektrode 13 und die beiden Messelektroden 3, 4 in einem zweiten Verfahrensschritt derart geschaltet, dass beide Messelektroden 3, 4 das gleiche Potenzial aufweisen, welches sich jedoch von dem Potenzial der Prüfelektrode 13 unterscheidet. Beispielsweise kann an die Prüfelektrode 13 bei diesem Verfahrensschritt eine Spannung von beispielsweise von ≥ 10 V bis ≤ 100 V, insbesondere von ≥ 15 V bis ≤ 80 V oder ≥ 20 V bis ≤ 65 V, angelegt werden, während sowohl die erste 3 als auch die zweite 4 Messelektrode auf Masse liegen, oder umgekehrt.
Dadurch wird eine niederohmige Partikelbrücke zwischen der Prüfelektrode 13 und der ersten Messelektrode 3 aufgebaut, während sich zwischen den beiden Messelektroden 3, 4, aufgrund des gleichen Potenzials keine Partikelbrücken aufbauen. Die beiden Messelektroden 3, 4 bleiben also durch den hochohmigen Bereich der Isolationsschicht 9 getrennt. Wird nun, nach dem Kurzschluss von der Prüfelektrode 13 und der ersten Messelektrode 3 durch Partikelanlagerung, entsprechend 4b, an die zweite Messelektrode 4 ein moduliertes Potenzial U_mod angelegt, so kann der aufgrund von Nebenschlüssen auf die erste Messelektrode 3 fließende Strom als ein aufmoduliertes Signal I_mod gemessen und die im Bereich des Messelektrodensystems 2 vorliegenden Isolationswiderstände bestimmt werden. Auf Basis der gemessen Nebenschlusswiderstände kann auch auf die Intaktheit der Isolationsschicht 9 im Bereich der Messelektrodenzuleitungen 5, 6 geschlossen werden.
Im Messelektrodenbereich abgelagerte Aschen können aufgrund deren endlicher Leitfähigkeit über eine Änderung des Nebenschlusswiderstands R_N erfasst und die gemessenen Werte im Steuergerät abgelegt und über die Lebensdauer des Sensorelementes 1 verglichen werden. Auf diese Weise kann auf eine Alterung der Messzelle, das heißt des Messelektrodensystems 2 und der Isolationen 9, 11, 12 geschlossen werden. Eine solche Ausführungsform ist daher auch zur On-Board-Diagnosis (OBD) des Sensorelementes einsetzbar.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1, welches neben zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12, einer Prüfelektrode 13 mit einem ersten Leitungselement 14 eine Aussparung 17 in der Isolationsschicht 9 und eine Prüfschicht 19 aufweist. Darüber hinaus ist im Rahmen der vierten sowie der fünften und sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform, im Gegensatz zu der zweiten und dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1, das erste Leitungselement 14 zwischen der Isolationsschicht 9 und der Trägerschicht 10 angeordnet. Um zu gewährleisten, dass das erste Leitungselement 14 darüber angeordnete Bauteile, beispielsweise die Prüfschicht 19, elektrisch leitend kontaktieren kann, ist die Aussparung 17 der Isolationsschicht 9 über dem ersten Leitungselement 14 und/oder dem Kontakt 18 der Prüfelektrode 13 ausgebildet und/oder angeordnet. Die Prüfschicht 19 ist im Rahmen der vierten sowie der im folgenden erläuterten fünften und sechsten Ausführungsform derart auf den Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12, der Isolationsschicht 9 und dem ersten Leitungselement 14 der Prüfelektrode 13 angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass die beiden Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12, die Isolationsschicht 9 und das erste Leitungselement 14 der Prüfelektrode 13 über die Prüfschicht 19 miteinander elektrisch leitend verbindbar sind. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen gleichzeitig innen und außen liegende Isolationsschichten auf ihre Intaktheit zu prüfen. Zweckmäßigerweise ist die Prüfschicht 19 im Rahmen der vierten sowie der im folgenden erläuterten fünften und sechsten Ausführungsform derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Prüfschicht 19 eine Partikelanlagerung an den Messelektroden 3, 4 und/oder dem zweiten Leitungselement 15 der Prüfelektrode 13 nicht behindert. Beispielsweise erstreckt sich die Prüfschicht 19 im Rahmen dieser und der folgenden Ausführungsformen über die Länge der Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12. Vorzugsweise ist die Prüfschicht 19 und/oder die Trägerschicht 10 im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus einem Material, beispielsweise yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet, das ab Temperaturen von ≥ 300°C elektrisch leitend ist.
Die Funktionsweise der Prüfschicht 19 beruht darauf, dass die Prüfschicht 19 zum einen mit dem ersten Leitungselement 14 der Prüfelektrode 13 und durch die zu detektierenden Löcher in der Isolationsschicht 9 und/oder den Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 mit den Messelektroden 3, 4 und dem Messelektrodenzuleitungen 11, 12 elektrisch leitenden verbindbar ist. Bei Erwärmung auf Temperaturen von ≥ 300°C wird diese Prüfschicht 19 leitfähig und bei Defekt der außen liegenden Isolationsschicht 9 über die Messelektroden 3, 4 und die Messelektrodenzuleitungen 5, 6 kann durch Anlegen einer Leckstromprüfspannung, insbesondere einer Gleichspannung von ≥ 10 V bis ≤ 100 V, insbesondere von ≥ 15 V bis ≤ 80 V oder ≥ 20 V bis ≤ 65 V, zwischen einer Messelektrode 3, 4, Messelektrodenzuleitung 5, 6, oder einem Messelektrodenkontakt 7, 8 und der Prüfelektrode 13 oder dem Prüfelektrodenkontakt 18 ein erhöhter Stromfluss gemessen werden. Somit können die Isolationsschicht 9 und die Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12 in einem Schritt geprüft werden. Darüber hinaus können bei geeigneter Anschlusswahl, beispielsweise durch Anlegen einer Leckstromprüfspannung an die Prüfelektrode 13 und einen Kontakt einer Heizvorrichtung, im Rahmen dieser und der folgenden Ausführungsformen unter der Trägerschicht 10 angeordnete Isolationen, beispielsweise die Isolation einer Heizvorrichtung, geprüft werden.
6 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, welches neben zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen 11, 12, einer Prüfschicht 19 und einer Aussparung 17 in der Isolationsschicht 9 eine Prüfelektrode 13 mit einem ersten 14 und einem zweiten 15 Leitungselement umfasst. Im Rahmen der fünften und auch sechsten Ausführungsform ist das zweite Leitungselement 15 der Prüfelektrode 13 zwischen der Isolationsschicht 9 und der Trägerschicht 10 angeordnet. Im Rahmen der fünften Ausführungsform ist die Aussparung 17 der Isolationsschicht 9 dabei über dem ersten Leitungselement 14 und dem zweiten Leitungselement 15 und dem Kontakt 18 der Prüfelektrode 13 ausgebildet und/oder angeordnet.
7 zeigt eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, welches neben zwei Messelektrodenzuleitungsisolationen, einer Prüfschicht, und einer Aussparung 17 in der Isolationsschicht 9 eine Prüfelektrode mit einem ersten, zweiten und dritten Leitungselement 14, 15, 16 umfasst. Im Gegensatz zu der fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 1 ist die Aussparung 17 der Isolationsschicht 9 im Rahmen dieser Ausführungsform nur über dem ersten Leitungselement 14 und dem Kontakt 18 der Prüfelektrode 13 ausgebildet und/oder angeordnet. Bei dem dritten Leitungselement der Prüfelektrode 13 kann es sich beispielsweise um ein flächiges oder ein rahmenförmiges Leitungselement 16 handeln. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das dritte Leitungselement 16 der Prüfelektrode 13 in Form eines Rahmens, der um die Messelektroden 3, 4 angeordnet ist, auszugestalten, der unter daran angelegter Wechselspannung eine Abschirmung gegen Nebenschlüsse zum Gehäuse bietet. Zweckmäßigerweise kontaktiert das dritte Leitungselement 16 der Prüfelektrode das zweite Leitungselement 15 elektrisch leitend. Vorzugsweise ist das dritte Leitungselement 16 zwischen der Isolationsschicht 9 und der Trägerschicht 10 und unter dem Messelektrodensystem 2 angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht ein derartig ausgestaltetes Sensorelement 1, dass die Isolationsschicht 9 im Bereich des Messelektrodensystems 2 in ihrer temperaturabhängigen Isolationswirkung geprüft werden kann, wodurch das Messsignal wiederum kompensiert werden kann.
Die Messelektroden, die Prüfelektrode, insbesondere das erste, zweite und/oder dritte Leitungselement der Prüfelektrode 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 ist das erfindungsgemäße Prüfelement aus Platin ausgebildet.
Die Isolationsschicht und/oder die Messelektrodenzuleitungsisolationen können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Aluminiumoxid ausgebildet sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes und/oder Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in einem Ruß-Partikel-Sensor, insbesondere einem Ruß-Partikel-Sensor 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.

Claims

Sensorelement (1) zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom umfassend ein Messelektrodensystem (2) mit mindestens einer ersten (3) und einer zweiten (4) kammartig ineinander greifenden Messelektrode, welche über nebeneinander angeordnete Messelektrodenzuleitungen (5, 6) an Messelektrodenkontakte (7, 8) angeschlossen sind, eine Isolationsschicht (9) und eine Trägerschicht (10), wobei die Messelektroden (3, 4), Messelektrodenzuleitungen (5, 6) und Messelektrodenkontakte (7, 8) auf der Isolationsschicht (9) angeordnet sind, und wobei die Isolationsschicht (9) auf der Trägerschicht (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrodenzuleitungen (5, 6) jeweils eine Messelektrodenzuleitungsisolation (11, 12) aufweisen, wobei die Messelektrodenzuleitungsisolation (11, 12) die Messelektrodenzuleitung (5, 6) umgibt oder über und/oder neben der Messelektrodenzuleitung (5, 6) oder über und/oder neben und unter der Messelektrodenzuleitung (5, 6) angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) eine Prüfelektrode (13) umfasst.
Sensorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (13) zumindest teilweise zwischen den Messelektrodenzuleitungen (5, 6) angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (13) ein erstes Leitungselement (14) aufweist, welches sich über die gleiche Länge wie die Messelektrodenzuleitungen (5, 6) erstreckt.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (13) ein zweites Leitungselement (15) aufweist, welches zwischen dem ersten Leitungselement (14) und dem Messelektrodensystem (2) angeordnet ist, wobei das zweite Leitungselement (15) das erste Leitungselement (14) elektrisch leitend kontaktiert, wobei das zweite Leitungselement (15) zu dem Messelektrodensystem (2) beabstandet angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitungselement (15) derart parallel zu dem Kammrücken (K) einer der Messelektroden (3, 4) oder parallel zu einem der Elektrodenarme (E) einer der Messelektroden (3, 4) ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass der Abstand (d_PM) zwischen dem zweiten Leitungselement (15) und dem Kammrücken (K) oder Elektrodenarm (E) in der gleichen Größenordnung liegt, wie der Abstand (d_MM) zwischen zwei benachbarten Elektrodenarmen (E) unterschiedlicher Messelektroden (3, 4).
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitungselement (14) und/oder das zweite Leitungselement (15) der Prüfelektrode (13) auf der Isolationsschicht (9) oder zwischen der Isolationsschicht (9) und der Trägerschicht (10) angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (13) ein drittes, beispielsweise flächiges, Leitungselement (16) aufweist, wobei das dritte Leitungselement (16) zwischen der Isolationsschicht (9) und der Trägerschicht (10) und unter dem Messelektrodensystem (2) angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (9) eine Aussparung (17) aufweist, wobei die Aussparung (17) über dem ersten Leitungselement (14) und/oder dem zweiten Leitungselement (15) und/oder einem Kontakt (18) der Prüfelektrode (13) ausgebildet und/oder angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) eine Prüfschicht (19) aufweist, wobei die Prüfschicht (19) derart auf den Messelektrodenzuleitungsisolationen (11, 12), der Isolationsschicht (9) und dem ersten Leitungselement (14) der Prüfelektrode (13) angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass die beiden Messelektrodenzuleitungsisolationen (11, 12), die Isolationsschicht (9) und das erste Leitungselement (14) der Prüfelektrode (13) über die Prüfschicht (19) miteinander elektrisch leitend verbindbar sind.
Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfschicht (19) und/oder Trägerschicht (10) aus einem Material, beispielsweise yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet ist, das ab Temperaturen von ≥ 300°C elektrisch leitend ist.
Verfahren zur Bestimmung und Kompensation des Nebenschlusswiderstands R_N eines Sensorelementes (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, in dem – die Prüfelektrode (13) oder die zweite Messelektrode (4) auf ein unabhängiges, moduliertes Potenzial U_mod gelegt wird, – der Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der Prüfelektrode (13) oder der zweiten Messelektrode (4) am Messsignal der Messelektroden (3, 4) ermittelt wird, – aus dem ermittelten Anteil des unabhängigen, modulierten Potenzials U_mod der Prüfelektrode (13) oder der zweiten Messelektrode (4) der Nebenschlusswiderstand R_N bestimmt wird und – der bestimmte Nebenschlusswiderstand R_N aus dem Messsignal der Messelektroden (3, 4) kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Prüfelektrode (13) oder der zweiten Messelektrode (4) angelegte, unabhängige, modulierte Potenzial U_mod eine Wechselspannung, insbesondere eine Rechtecksspannung, ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal der Messelektroden (3, 4) über einen Lock-in-Verstärker verstärkt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Potenzial der Prüfelektrode (13) in drei wiederkehrenden Verfahrensschritten umgeschaltet wird, wobei die Prüfelektrode (13) – in einem ersten Verfahrensschritt auf das Potenzial der ersten Messelektrode (3), – in einem zweiten Verfahrensschritt auf das Potenzial der zweiten Messelektrode (4) und – in einem dritten Verfahrensschritt potenzialfrei geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (13) und die beiden Messelektroden (3, 4): – in einem ersten Verfahrensschritt derart geschaltet werden, dass die Prüfelektrode (13) das Potenzial der ersten Messelektrode (3) aufweist, welches sich jedoch von dem Potenzial der zweiten Messelektrode (4) unterscheidet; und – in einem zweiten Verfahrensschritt derart geschaltet werden, dass beide Messelektroden (3, 4) das gleiche Potenzial aufweisen, welches sich jedoch von dem Potenzial der Prüfelektrode (13) unterscheidet.