DE102009000315A1

DE102009000315A1 - Flüssigkeitssensor

Info

Publication number: DE102009000315A1
Application number: DE200910000315
Authority: DE
Inventors: Eric Tabery; Joachim Ulrich Brehm; Karola Herweg; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2010083902A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitssensor, umfassend ein Elektrodensystem und eine poröse Schicht, und dessen Verbindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitssensor, umfassend ein Elektrodensystem und eine poröse Schicht, und dessen Verwendung.
Stand der Technik
Bei der Applikation von Abgassensoren ist die Bestimmung des Taupunktendes eine wichtige Größe um eine Beschädigung von Sensoren im Abgasstrang zu vermeiden. Zur Bestimmung der einbaupositionsabhängigen Taupunktsendezeit und zur Bedatung der jeweiligen Applikation kommen Flüssigkeitssensoren zum Einsatz. Diese Flüssigkeitssensoren umfassen herkömmlicherweise ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei kammartig ineinandergreifenden Interdigitalelektroden. Zur Flüssigkeitsbestimmung wird an die Interdigitalelektroden eine Spannung angelegt. Auf das Interdigitalelektrodensystem auftreffende Flüssigkeitstropfen können die Interdigitalelektroden kurzschließen und somit zu einer Spannungs- und/oder Stromänderung zwischen den Interdigitalelektroden führen, welche als Maß für die Flüssigkeitskonzentration herangezogen werden kann. Dabei ist die Empfindlichkeit beziehungsweise die Spannungs- und/oder Stromänderung unter anderem proportional zur Tropfengröße.
Unterschreiten die auftreffenden Flüssigkeitstropfen eine bestimmte Größe, so können diese keinen Kurzschluss zwischen den Interdigitalelektroden des Interdigitalelektrodensystems herstellen und liegen damit unterhalb der Nachweisgrenze des Flüssigkeitssensors.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitssensor nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine poröse Schicht umfasst, welche auf, zwischen und/oder unter den Elektroden des Elektrodensystems angeordnet ist.
Angaben wie „auf oder „unter” dienen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Beschreibung einer Anordnung von mehreren Elementen und nicht zur Beschreibung einer Ausrichtung bezüglich der Gravitationsrichtung.
Eine derartige poröse Schicht hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit und damit die Messgenauigkeit insbesondere gegenüber kleinen Wassertropfen erhöht werden kann. Dadurch können vorteilhafterweise auch kleine Tropfen nachgewiesen und die Taupunktendbedatung verbessert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensor kann es sich um einen Wassersensor handeln. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor, insbesondere Wassersensor, zur Bestimmung der Konzentration von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, in einem Gasstrom eingesetzt werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor, insbesondere Wassersensor, zur Bestimmung von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, in einem Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Elektrodensystem ein Interdigitalelektrodensystem aus mindestens zwei kammartig ineinandergreifenden Interdigitalelektroden. Dabei kann die poröse Schicht auf, zwischen und/oder unter den Interdigitalelektroden des Interdigitalelektrodensystems angeordnet sein.
Die Ausgestaltung der porösen Schicht erfolgt vorzugsweise aus einem nichtleitfähigen Material, dessen Porosität angepasst werden kann. Dabei wird unter einem „nichtleitfähigen Material ein Material verstanden, welches bei ≥ 50°C bis ≤ 500°C, beispielsweise bei ≥ 200°C bis ≤ 500°C, eine Leitfähigkeit von ≤ 1·10^–4 (Ωcm)^–1, insbesondere von ≤ 1·10^–5 (Ωcm)^–1, aufweist.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die poröse Schicht daher bei ≥ 50°C bis ≤ 500°C, insbesondere bei ≥ 200°C bis ≤ 500°C, eine Leitfähigkeit von ≤ 1·10^–4 (Ωcm)^–1, insbesondere von ≤ 1·10^–5 (Ωcm)^–1, auf.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die poröse Schicht eine Porosität von ≥ 10% bis ≤ 40% auf.
Im Rahmen einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die poröse Schicht Porengrößen von ≥ 0,5 μm bis ≤ 5 μm auf.
Derartige Porositäten und Porengrößen haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft für die Detektion von Flüssigkeiten gezeigt. Darüber hinaus können derartige Schichten per Siebdruck hergestellt werden und weisen eine, für den Einsatz im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Fahrzeugs, ausreichende Robustheit auf.
In Abhängigkeit vom Sensoraufbau können die Anforderungen an die Leitfähigkeit der porösen Schicht variieren. Vorzugsweise werden die gewünschten Eigenschaften der porösen Schicht durch die Wahl geeigneter Dotierstoffe und ihrer Konzentration eingestellt. Unter einer Dotierung werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Mischungen verstanden, in denen der Anteil des Dotierstoffs im zweistelligen Prozentbereich liegt.
Als poröse Schicht, welche bei ≥ 50°C bis ≤ 500°C, insbesondere bei ≥ 200°C bis ≤ 500°C, eine Leitfähigkeit von ≤ 1·10^–4 (Ωcm)^–1, insbesondere von ≤ 1·10^–5 (Ωcm)^–1, aufweist, eignen sich unter anderem Aluminiumoxidschichten, welche mit geeigneten Dotierstoffen dotiert werden und deren Leitfähigkeit damit genau eingestellt werden kann.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst daher die poröse Schicht dotiertes Aluminiumoxid beziehungsweise besteht die poröse Schicht aus dotiertem Aluminiumoxid.
Vorzugsweise ist das Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit mindestens einem Dotierstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)oxid (Fe₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Chromoxid, insbesondere Chrom(III)oxid (Cr₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid, insbesondere Mangan(II)oxid (MnO), Natriumoxid und/oder Mischungen davon, dotiert.
Beispielsweise weist Aluminiumoxid, welches mit einer Dotierung von 4,3 mol-% Eisenoxid (Fe₂O₃) dotiert ist, in einem Bereich von ≥ 200°C bis ≤ 500°C eine Leitfähigkeit auf, welche in einem Bereich von ≥ 10^–8 (Ωcm)^–1 bis ≤ 1·10^–8 (Ωcm)^–1 liegt und eine definierte Temperaturabhängigkeit besitzt. Eine Dotierung von Aluminiumoxid mit ≥ 17% Zirkoniumoxid (ZrO₂) geht ebenfalls mit einer geringen Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit einher.
Der Eisenoxid-, Zirkoniumoxid- und/oder Chromoxid-Anteil an dem dotierten Aluminiumoxid kann beispielsweise jeweils ≤ 10 mol-% betragen.
Im Rahmen einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das dotierte Aluminiumoxid mit Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)oxid (Fe₂O₃), dotiert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor weiterhin eine Trägerschicht aufweisen.
Im Rahmen einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die poröse Schicht auf und/oder zwischen den Interdigitalelektroden des Interdigitalelektrodensystems angeordnet und das Interdigitalelektrodensystem auf der Trägerschicht angeordnet.
Das Anordnen der porösen Schicht auf den Interdigitalelektroden des Interdigitalelektrodensystems hat den Vorteil, dass das Abdampfen des, beispielsweise platinhaltigen, Interdigitalelektrodenmaterials und das Ablagern von leitfähigen Feststoffen, beispielsweise Ruß oder Aschen, auf den Interdigitalelektroden verringert oder sogar verhindert wird, wodurch sowohl die Alterungsbeständigkeit als auch die Betriebszeit zwischen zwei Regenerationen des Sensors erhöht wird.
Im Rahmen einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Interdigitalelektrodensystem auf der porösen Schicht und die poröse Schicht auf der Trägerschicht angeordnet.
Das Anordnen der porösen Schicht zwischen dem Interdigitalelektrodensystem und der Trägerschicht hat den Vorteil, dass die poröse Schicht nicht nur zur Verteilung der Flüssigkeit zwischen den Interdigitalelektroden, sondern auch zur ISOlation der Interdigitalelektroden gegenüber der Trägerschicht, welche beispielsweise aus leitfähigem Zirkoniumoxid (ZrO₂) ausgestaltet sein kann, dient.
Da sowohl die erste als auch die zweite Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Vorteile bietet ist eine Kombination beider Ausgestaltungen besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise basiert der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor auf einem Mehrfolienlaminat.
Im Rahmend der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor weiterhin eine Heizvorrichtung aufweisen. Eine Heizvorrichtung hat unter anderem den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Sensor auf einfache Weise, beispielsweise bei Versottung mit Rußpartikeln aus dem Abgas eine Verbrennungs(kraft)maschine, regeneriert werden kann.
Im Rahmend der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor weiterhin eine Temperaturmessvorrichtung aufweisen. Eine Temperaturmessvorrichtung hat unter anderem den Vorteil, dass die Messergebnisse temperaturkorrigiert werden können.
Die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung zur Bestimmung der flüssigkeitsbedingten Spannungs- und/oder Stromänderung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl eine externe als auch eine in den Flüssigkeitssensor integrierte Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung sein. Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Flüssigkeitssensor eine Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensor zur Bestimmung der Konzentration von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, in einem Gasstrom, insbesondere in einem Abgas einer Brennkraftmaschine.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen herkömmlichen Flüssigkeitssensor zur Veranschaulichung des Messprinzips;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensors mit einer auf und zwischen den Interdigitalelektroden angeordneten porösen Schicht;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensors mit einer unter den Interdigitalelektroden angeordneten porösen Schicht;
4 einen schematischen Querschnitt durch den in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensor zur Veranschaulichung der Funktionsweise der porösen Schicht; und
5 einen Graphen zur Veranschaulichung der Temperaturabhängigkeit von mehreren Al₂O₃/Fe₂O₃-Mischungen.
1 zeigt einen herkömmlichen Flüssigkeitssensor, welcher ein Interdigitalelektrodensystem 1 aus mindestens zwei kammartig ineinandergreifenden Interdigitalelektroden 2, 3, eine Trägerschicht 5 und eine Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung 6 aufweist. 1 veranschaulicht, dass auf einen herkömmlichen Flüssigkeitssensor auftreffende Tropfen 7 beim Unterschreiten einer bestimmten Größe, die Interdigitalelektroden 2, 3 nicht kurzschließen können und somit nicht durch einen herkömmlichen Flüssigkeitssensor nachgewiesen werden können.
2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensors, in welcher die poröse Schicht 4 auf und zwischen den Interdigitalelekt roden 2, 3 des Interdigitalelektrodensystems 1 angeordnet sind und das Interdigitalelektrodensystem 1 auf einer Trägerschicht 5 angeordnet ist.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensors, in welcher das Interdigitalelektrodensystem 1 auf der porösen Schicht 4 und die poröse Schicht 4 auf einer Trägerschicht 5 angeordnet ist.;
4 zeigt in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Flüssigkeitssensor, dessen Interdigitalelektroden 2, 3 an eine Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung 6 angeschlossen sind. 4 veranschaulicht, dass ein Tropfen 7 durch Kapillarkräfte von der porösen Schicht 4 aufgesaugt und in der porösen Schicht 4 verteilt wird. Wie in 4 gezeigt, können auf diese Weise auch kleine Tropfen 7 die Interdigitalelektroden 2, 3 kurzschließen beziehungsweise die Leitfähigkeit der porösen Schicht ausreichend zu erhöhen, um nachgewiesen zu werden.
5 veranschaulicht die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mehreren Al₂O₃/Fe₂O₃-Mischungen von der Temperatur. Dabei geben die mit den Bezugszeichen 11, 12, 13, 14, 15 beziehungsweise 16 gekennzeichneten Linien, die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von mit 0,5 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃, mit 1,5 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃, mit 4,1 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃, mit 4,3 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃, mit 12 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃ beziehungsweise mit 24 mol-% Fe₂O₃ dotiertem Al₂O₃ wieder. 5 zeigt, dass die Al₂O₃/Fe₂O₃-Mischungen, welche einen Eisenoxidanteil von 0,5 mol-% 11, 1,5 mol-% 12, 4,1 mol-% 13 und 4,3 mol-% 14 umfassen zwischen 100°C und 500°C eine Leitfähigkeit von ≤ 1·10^–6 (Ωcm)^–1 aufweisen.

Claims

Flüssigkeitssensor, umfassend – ein Elektrodensystem (1) aus mindestens zwei Elektroden (2, 3) dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitssensor eine poröse Schicht (4) umfasst, wobei die poröse Schicht (4) auf, zwischen und/oder unter den Elektroden (2, 3) des Elektrodensystems (1) angeordnet ist.
Flüssigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (4) eine Porosität von ≥ 10% bis ≤ 40% aufweist.
Flüssigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (4) Porengrößen von ≥ 0,5 μm bis ≤ 5 μm aufweist.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (4) bei ≥ 50°C bis ≤ 500°C eine Leitfähigkeit von ≤ 1·10^–4 (Ωcm)^–1 aufweist.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (4) dotiertes Aluminiumoxid umfasst.
Flüssigkeitssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid mit mindestens einem Dotierstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, Zirkoniumoxid, Chromoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Natriumoxid und/oder Mischungen davon, dotiert ist.
Flüssigkeitssensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil eines Dotierstoffs am dotierten Aluminiumoxid jeweils ≤ 10 mol-% beträgt.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil an Dotierstoffen am dotierten Aluminiumoxid ≤ 10 mol-% beträgt.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem (1) ein Interdigitalelektrodensystem (1) aus mindestens zwei kammartig ineinandergreifenden Interdigitalelektroden (2, 3) ist, wobei die poröse Schicht (4) auf, zwischen und/oder unter den Interdigitalelektroden (2, 3) des Interdigitalelektrodensystems (1) angeordnet ist.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitssensor weiterhin eine Trägerschicht (5) aufweist, wobei – die poröse Schicht (4) auf und/oder zwischen den Interdigitalelektroden (2, 3) des Interdigitalelektrodensystem (1) angeordnet ist und das Interdigitalelektrodensystem (1) auf der Trägerschicht (5) angeordnet ist, und/oder – das Interdigitalelektrodensystem (1) auf der porösen Schicht (4) und die poröse Schicht (4) auf der Trägerschicht (5) angeordnet ist.
Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitssensor weiterhin eine Heizvorrichtung und/oder eine Temperaturmessvorrichtung aufweist.