DE102008007664A1

DE102008007664A1 - Keramisches Heizelement

Info

Publication number: DE102008007664A1
Application number: DE200810007664
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kamp; Benjamin Gaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-13

Abstract

Es wird ein keramisches Heizelement eines Sensorelementes für elektrochemische Gassensoren beschrieben, das ein elektrisches Widerstandselement umfasst, das mittels einer ersten Zuleitung und einer zweiten Zuleitung mit einer Spannungsquelle verbindbar ist, wobei mindestens zwei elektrische Widerstandselemente (25, 27) vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Heizelement eines Sensorelementes für elektrochemische Gassensoren, auf ein keramisches Sensorelement dieses enthaltend, sowie auf die Verwendung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Zukünftig wird der Rußausstoß von Verbrennungsmotoren in gesetzlich vorgeschriebener Weise während des Betriebes des Verbrennungsmotors überwacht bzw. durch Einsatz von Dieselpartikelfiltern vermindert. Deren Funktionalität wird ebenfalls überwacht und sichergestellt. Um eine effiziente, kraftstoffsparende Regeneration eines in das Abgassystem des Verbrennungsmotors integrierten Dieselpartikelfilters zu gewährleisten, ist darüber hinaus eine Erkennung des Beladungszustands des betreffenden Dieselpartikelfilters von Bedeutung.
Zur Detektion von Abgaskomponenten sind bspw. aus der DE 101 49 333 B4 keramische Sensorelemente bekannt, die nach einem resistiven Messprinzip arbeiten, wobei eine Änderung eines elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden einer interdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund der Anlagerung einer zu bestimmenden Gaskomponente im Bereich der Messelektroden erfasst wird.
Derartige Sensoren werden auch zur Bestimmung von Rußpartikeln in einem Verbrennungsabgas herangezogen. Während der Anlagerung von Rußpartikeln lässt sich aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit derartiger Partikel mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensoroberfläche ein abnehmender elektrischer Widerstand bzw. ein zunehmender, zwischen den Messelektroden fließender Strom bei konstant angelegter Spannung detektieren. Steigt die Konzentration an angelagerten Partikeln auf der Sensoroberfläche über ein bestimmtes Maß hinaus an, so korreliert damit kein weiter ansteigender Strom zwischen den Messelektroden bzw. kein sich weiter verringernder elektrischer Widerstand der Messanordnung.
Spätestens zu diesem Zeitpunkt sollte eine Regeneration der Messanordnung erfolgen. Dies geschieht üblicherweise durch Erhitzung des Gassensors über eine Temperatur hinaus, bei der die angelagerten Rußpartikel verbrennen und weitgehend rückstandsfrei von der Messanordnung entfernt werden. Dabei kann die Erwärmung des Sensorelementes mittels einer externen Wärmequelle, wie beispielsweise durch Kraftstoffzufuhr in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors erfolgen, oder üblicherweise durch ein in das Sensorelement des Gassensors integriertes keramisches Heizelement.
Üblicherweise in keramische Sensorelemente von Gassensoren integrierte Heizelemente umfassen eine Widerstandsleiterbahn, die in einem zu beheizenden Bereich des Sensorelement angeordnet und beispielsweise in Form eines Mäanders ausgeführt ist. Ein derartiges Heizelement bildet während der Beheizung ein radiales Temperaturfeld um den beheizten Bereich aus und führt bei der Regenerierung des keramischen Sensorelementes zu einem ungleichen Abbrand von Rußpartikeln auf der Oberfläche des Sensorelementes. Wird dagegen das Heizelement mit einer so hohen Heizleistung betrieben, dass weitgehend alle Rußpartikel von der Oberfläche des Sensorelementes entfernt werden, besteht die Gefahr einer lokalen Überhitzung des keramischen Sensorelementes mit der Folge einer Schädigung des keramischen Schichtaufbaus.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Heizelement für keramische Sensorelemente von Gassensoren zur Verfügung zu stellen, das eine gleichmäßige Beheizung größerer Oberflächenbereiche des Sensorelementes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein keramisches Heizelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass das keramische Heizelement mindestens zwei elektrische Widerstandselemente umfasst, die parallel geschaltet sind. Auf diese Weise kann eine Beheizung größerer Oberflächenbereiche eines das keramische Heizelement umfassenden Sensorelementes gewährleistet werden und gleichzeitig auf schon bisher verwendete Zuleitungen bzw. Kontaktierungsmöglichkeiten des Sensorelementes zurückgegriffen werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist von Vorteil, wenn das Heizelement einen keramischen Schichtaufbau umfasst, wobei die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente des keramischen Heizelementes im Wesentlichen in einer keramischen Schichtebene des Heizelementes angeordnet sind. Auf diese Weise weisen alle Widerstandselemente des Heizelementes einen im wesentlichen identischen Abstand zu einer zu beheizenden Großfläche des Sensorelementes auf, und eine gleichmäßige Erwärmung dieser Großfläche des Heizelementes ist somit besser gewährleistet.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente des keramischen Heizelementes als mäanderförmige Leiterbahnen ausgeführt sind, da diese von der Herstellung her technisch einfach zu realisieren sind und dennoch die Beheizung eines flächigen Bereiches des Sensorelementes in vorteilhafter Weise gestatten.
Das keramische Heizelement gestattet in vorteilhafter Weise den Betrieb von keramischen Gassensoren zur Bestimmung von partikelhaltigen Abgasen von Verbrennungsmotoren, Heizanlagen oder Kraftwerksanlagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt
1 eine Explosionsdarstellung eines das erfindungsgemäße Heizelement enthaltenden Sensorelements und
2 einen schematischen Querschnitt entlang einer das Heizelement enthaltenden keramischen Schichtebene des in 1 dargestellten Sensorelements.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein auf einem interdigitalen Elektrodensystem 12 basierendes Sensorelement 10 eines Gassensors zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom. Dieses umfasst beispielsweise ein interdigitales Elektrodensystem 12, eine Heizvorrichtung 15 zur Regeneration des Sensorelements sowie optional eine mäanderförmige Temperaturmessvorrichtung 16 zur Bestimmung der Temperatur des Sensorelements. Dabei ist das Elektrodensystem 12 beispielsweise zur Messung der Rußpartikelkonzentration über ein Leitungselement 13 an ein Strommessinstrument 14 angeschlossen.
Zur elektrischen Isolierung sind das Elektrodensystem 12, die Heizvorrichtung 15 und die Temperaturmessvorrichtung 16 durch keramische, elektrisch isolierende Schichten 17, 18 voneinander separiert. Diese sind aus einem isolierenden Material wie beispielsweise einer Keramik, wie insbesondere Al₂O₃, bariumhaltigem Aluminiumoxid oder Cerdioxid, oder aus einem Glas ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform sind die keramischen Schichten 17, 18 aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂ ausgeführt, wobei in diesem Fall alle elektrisch leitfähigen Zuleitungen für das Elektrodensystem 12, die Heizvorrichtung 15 bzw. die Temperaturmessvorrichtung 16 durch nicht dargestellte Isolierschichten aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material gegenüber dem umgebenden Festelektrolytmaterial isoliert sind. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung sogenannter Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) als Material der keramischen Schichten 17, 18.
Vorteilhafterweise weist die isolierende Schicht 17, 18 eine Schichtdicke von etwa 0,01 bis etwa 100 μm, vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 50 μm und insbesondere von etwa 1 bis etwa 10 μm auf. Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Zur Beruhigung eines zu bestimmenden Gasstroms und damit zur bevorzugten Ablagerung von Teilchen auf den Großflächen des Sensorelementes 10 sowie zum Schutz des Elektrodensystems 12 vor abrasiven Einflüssen der Gasströmung, kann das Sensorelement 10 von einer nicht dargestellten Fanghülse umgeben sein, die zumindest zum Teil das Elektrodensystem 12 überdeckt. Vorteilhafter Weise besteht eine solche Fanghülse aus einem hochisolierenden Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik wie Al₂O₃.
Das Elektrodensystem 12 umfasst vorzugsweise zwei ineinandergreifende Interdigitalelektroden aus einem elektrisch leitfähigen und hochtemperaturstabilen Material. Dabei bedeutet „hochtemperaturstabil" im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Material bis zu einer Temperatur von beispielsweise etwa 1200°C im wesentlichen keine der für den erfindungsgemäßen Zweck notwendigen Eigenschaften verliert. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12 befindenden keramischen Oberflächenmaterials.
Für den erfindungsgemäßen Einsatz als elektrisch leitfähiges Material sind Halbleiter oder Metalle, beispielsweise Übergangmetallen wie Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium, Rhodium geeignet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrisch leitfähigen und hochtemperaturstabilen Material um Platin. Das Elektrodensystem 12 kann beispielsweise mittels Siebdruckverfahren hergestellt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Elektrodensystem 12 im Bereich der Elektrodenzuleitungen eine insbesondere elektrisch isolierende Schutzschicht aufweisen. Eine derartige Schutzschicht bietet den Vorteil, dass das Elektrodensystem 12 gegenüber Vergiftungen resistent ist. Beispielsweise umfasst die Schutzschicht poröses Al₂O₃.
Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an das Elektrodensystem 12 eine Spannung angelegt. Da das Elektrodensystem 12 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden keramischen Schicht 17 aufgebracht ist, kommt es zunächst im Wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12. Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Messgas elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche der keramischen Schicht 17 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche der keramischen Schicht 17 mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Wird nun an das Elektrodensystem 12 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 eine Temperaturmessvorrichtung 16, der vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Temperaturmessvorrichtung 16 ist vorzugsweise auf einer der Großflächen der keramischen Schicht 18 aufgebracht. Die Temperaturmessvorrichtung 16 dient der Messung der Temperatur des Gasgemischs und wird u. a. zur Korrektur des temperaturabhängigen gemessenen Widerstandes des sich zwischen den Messelektroden des Elektrodensystems 12 befindenden keramischen Materials bzw. zur Korrektur der Diffusionsanlagerung verwendet.
Das zwischen den elektrisch isolierenden Schichten 17 und 18 des keramischen Sensorelementes 10 positionierte Heizelement 15 umfasst, wie in 2 dargestellt, elektrische Zuleitungen 21, 23, die der elektrischen Kontaktierung des Heizelementes 15 dienen. Weiterhin umfasst das Heizelement 15 mindestens zwei elektrische Widerstandselemente 25, 27, welche vorzugsweise beide mit den elektrischen Zuleitungen 21 und 23 in Kontakt stehen. Die elektrischen Widerstandselemente 25, 27 sind vorzugsweise in Form mäanderförmig verlaufender Leiterbahnen ausgeführt. Diese dienen der Beheizung des Sensorelements 10. Dabei können die Leiterbahnen der Widerstandselemente 25, 27 einen winkligen Verlauf annehmen, wie in 1 dargestellt, oder einen gerundeten Verlauf, wie in 2 dargestellt. In einer alternativen Ausführungsform können die elektrischen Zuleitungen 21, 23 mit weiteren Widerstandselementen in elektrischem Kontakt stehen. Dabei sind die elektrischen Widerstandselemente vorzugsweise parallel geschaltet und weisen einen im Wesentlichen identischen elektrischen Widerstand auf.
Die Widerstandselemente 25, 27 sind vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid.
Das erfindungsgemäße Heizelement ermöglicht den Einsatz von keramischen Gassensoren zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen in Verbrennungsabgasen, beispielsweise in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, Heizanlagen oder Kraftwerksanlagen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10149333 B4 [0003]

Claims

Keramisches Heizelement eines Sensorelementes für elektrochemische Gassensoren, mit einem elektrischen Widerstandselement, das mittels einer ersten Zuleitung und einer zweiten Zuleitung mit einer Spannungsquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrische Widerstandselemente (25, 27) vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind.
Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente (25, 27) eine gemeinsame erste und eine gemeinsame zweite Zuleitung (21, 23) aufweisen.
Keramisches Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) keramische Schichten (17, 18) umfasst, und dass die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente (25, 27) in einer keramischen Schichtebene angeordnet sind.
Keramisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente (25, 27) einen im wesentlichen identischen elektrischen Widerstand aufweisen.
Keramisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente (25, 27) als mäanderförmige Leiterbahn ausgeführt ist.
Keramisches Sensorelement eines Gassensors zur Bestimmung von Komponenten eines Gasgemisches, enthaltend ein Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung von keramischen Gassensoren, enthaltend ein keramisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Bestimmung von Partikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren, Heizanlagen oder Kraftwerksanlagen.