DE102009028239A1

DE102009028239A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Eigendiagnose eines Partikelsensors

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Publication number: DE102009028239A1
Application number: DE102009028239A
Authority: DE
Inventors: Sabine Roesch; Benjamin Gaertner; Johannes Grabis; Alexander Hetznecker; Thorsten Ochs; Henrik Schnittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US20110030451A1; US8794046B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden und ein, durch eine Isolationsschicht von den Elektroden getrenntes Heizelement aufweist, mit dem der Partikelsensor in einer Regenerationsphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor entfernt werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels Fremddotierung oder Eigendotierung in der Isolationsschicht unmittelbar unter den Elektroden eine halbleitende Schicht ausgebildet wird und zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen den Elektroden angelegt und ein Eigendiagnosestrom gemessen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Eigendiagnose eines entsprechenden Partikelsensors, wobei der Partikelsensor mit einer Motorsteuerung oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung steht und die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Diagnose der Rußbeladung des Partikelsensors und des Partikelsensors selbst aufweisen. Die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit weist erfindungsgemäß Einrichtungen zur Auswertung eines Eigendiagnosestroms bei Anlegen einer Wechsel- oder Gleichspannung als Messspannung an den Elektroden auf. Weiterhin ist der Partikelsensor bei Verwendung von Gleichsspannung als Messspannung mittels der Motorsteuerung oder der ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden und ein, durch eine Isolationsschicht von den Elektroden getrenntes Heizelement aufweist, mit dem der Partikelsensor in einer Regenerationphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor entfernt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Eigendiagnose eines entsprechenden Partikelsensors, wobei der Partikelsensor mit einer Motorsteuerung oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung steht und die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Diagnose der Russbeladung des Partikelsensors und des Partikelsensors selbst aufweisen.
Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Russausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On Bord Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer unterdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund von Partikelanlagerungen auswerten. Es können zwei oder mehrere Elektroden vorgesehen sein, die bevorzugt kammartig ineinander greifen. Durch eine steigende Anzahl an dem Partikelsensor anlagernder Partikel werden die Elektroden kurzgeschlossen, was sich in einem mit steigender Partikelanlagerung abnehmendem elektrischen Widerstand, einer abnehmenden Impedanz oder in einer Veränderung einer mit dem Widerstand beziehungsweise der Impedanz zusammen hängenden Kenngröße wie einer Spannung und/oder einem Strom auswirkt. Zur Auswertung wird im Allgemeinen ein Schwellwert, beispielsweise eines Messstroms zwischen den Elektroden, festgelegt und die Zeit bis zur Erreichung des Schwellwertes als Maß für die angelagerte Partikelmenge verwendet. Alternativ kann auch eine Signal-Änderungsgeschwindigkeit während der Partikelanlagerung ausgewertet werden. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden aufgebaut, die zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom an dem Partikelsensor ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter Partikel geschlossen werden kann.
Die DE 101 49 333 A1 beschreibt eine Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, mit einer auf einem Substrat angeordneten Widerstandsmessstruktur, wobei die Messstruktur mit einer Russschicht zusammenwirkt und eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist. Mit dieser Sensorvorrichtung kann ebenfalls die Russkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine bestimmt werden.
Aus der DE 10 2004 028 997 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Partikelanlagerung auf einem Sensorelement bekannt, das eine erste Elektrode und eine weitere Elektrode aufweist und an welchem an Spannungsklemmen eine erste Spannung U₁ sowie eine zweite Spannung U₂ anlegbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Sensorelement während einer ersten Zeitspanne t₁ mit einer erhöhten Spannung U₁ betrieben werden kann und nach Überschreiten einer Auslöseschwelle AP des Sensorelements dieses mit einer niedrigeren Spannung U₂ betrieben werden kann, die geringer als die erhöhte Spannung U₁ ist. Das Verfahren ermöglicht es, die Zeit nach einer Regeneration des Sensorelements, in der kein Messsignal zur Verfügung steht, bis zu dem Zeitpunkt, an dem durch Ablagerung einer ausreichenden Menge an Partikeln ein auswertbares Signal erhalten wird, zu verkürzen, in dem während dieser Phase das Sensorelement mit einer erhöhten Betriebsspannung betrieben wird. Die erhöhte Betriebsspannung führt zu einer erhöhten Ablagerungsrate von Partikeln an dem Sensorelement. Wenn sich eine ausreichend große Menge Partikel an dem Sensorelement abgelagert hat, so dass ein verwertbares Messsignal vorliegt, wird das Sensorelement mit einer niedrigeren Spannung mit einer entsprechend niedrigeren Partikel-Ablagerungsrate betrieben, so dass die Messdauer bis zur nächsten notwendigen Regeneration des Sensorelements verlängert wird. Das Verfahren sieht demnach zwei aufeinander folgende Betriebsphasen vor, eine erste Phase mit erhöhter Betriebsspannung, während der noch kein ausreichendes Messsignal vorliegt, und eine zweite Phase mit verringerter Spannung, während der die eigentliche Messung der Partikelkonzentration erfolgt. Dabei erfolgt während beider Phasen eine Bestimmung des Widerstandes oder der Impedanz des Sensorelements über eine entsprechende Strommessung, einmal zur Erkennung der Auslöseschwelle und einmal zur Bestimmung der Partikel-Ablagerungsrate. In beiden Phasen ist eine definierte Partikelablagerung notwendig. Die gewählten Spannungen stellen demnach in beiden Phasen einen Kompromiss zwischen optimierter Partikelablagerung und genauer Widerstands- oder Impedanzmessung dar.
Aus der DE 103 19 664 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Russpartikeln in einem Abgasstrom, mit mindestens zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, bekannt. Dabei ist es vorgesehen, dass die Messelektroden von einer Schutzschicht überzogen sind. Durch die Schutzschicht werden die Elektroden bei rauen Umgebungstemperaturen vor Korrosion geschützt. Dabei kann die Schutzschicht elektrisch leitend oder als elektrischer Isolator ausgeführt sein. Eine leitfähige Schutzschicht ermöglicht eine Bestimmung der Partikelkonzentration durch eine resistive Gleichstrommessung, wobei sich eine Parallelschaltung zwischen den Elektroden über die Schutzschicht und die angelagerten Partikel ergibt. Bei einer isolierenden Schutzschicht ist eine Impedanzmessung mit Hilfe einer Wechselspannung erforderlich.
Zur Regeneration des Partikelsensors nach erfolgter Partikelanlagerung muss das Sensorelement mit Hilfe eines integrierten Heizelementes frei gebrannt werden. Dies muss in bestimmten zeitlichen Abständen durchgeführt werden, um Verfälschungen bei der Partikelkonzentrationsbestimmung zu vermeiden.
Zur Eigendiagnose ist beispielsweise in einer weiteren Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.318399 vorgesehen, dass der Partikelsensor eine zusätzliche flächige Prüfelektrode aufweist, und in mehreren Verfahrensschritten zwischen den Messelektroden und der Prüfelektrode verschiedene Prüfspannungen angelegt und jeweils ein Strom bzw. eine Kapazität gemessen und anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion des Partikelsensors geschlossen wird.
Die EP 1 925 926 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Auswerteverfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit bzw. zur Plausibilisierung eines auf einem Elektrodensystem basierenden Sensors, insbesondere eines Partikelsensors, wobei die Vorrichtung mindestens ein Referenzelektrodensystem umfasst. Das Auswerteverfahren sieht dabei vergleichende Messungen an den Messelektroden sowie an den Referenzelektroden vor, wobei anhand der ermittelten Werte auf eine ordnungsgemäße Funktion des Sensors geschlossen wird.
Da bei einem Einsatz zur On-Board-Diagnose der Partikelsensor bezüglich eines Partikelfilters stromabwärts im Abgasstrom angeordnet ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Partikelfilter an der Stelle, an der der Partikelsensor angeordnet ist, keine Partikel, insbesondere Rußpartikel mehr im Abgas befinden, die ein entsprechendes Sensorsignal liefern könnten. Dass kein Signal von einem Sensor geliefert wird, kann allerdings auch bedeuten, dass der Partikelsensor defekt ist und somit ein möglicherweise ebenfalls defekter Partikelfilter nicht als defekt erkannt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige Eigendiagnose des Partikelfilters insbesondere in dieser Einbausituation erlaubt.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 5 gelöst.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Motorsteuerung oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Auswertung eines Eigendiagnosestroms bei Anlegen einer Wechsel- oder Gleichspannung als Messspannung an den Elektroden aufweist und dass der Partikelsensor bei Verwendung von Gleichspannung als Messspannung mittels der Motorsteuerung oder der Sensorsteuereinheit zur Eigendiagnose kurzzeitig auf Temperaturen > 500°C aufheizbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass mittels Fremddotierung oder Eigendotierung in der Isolationsschicht unmittelbar unter den Elektroden eine halbleitende Schicht ausgebildet wird und zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen den Elektroden angelegt und ein Eigendiagnosestrom gemessen wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass eine Diagnose der Funktionstüchtigkeit der Messelektroden des Partikelsensors durchgeführt werden kann. Durch eine derartige Eigendiagnose ist es möglich, defekte Partikelsensoren, deren Elektroden während der Fertigung oder im Einsatz über die Lebensdauer des Sensors beschädigt wurden, zu erkennen und durch entsprechende Korrektur des gemessenen Partikelsignals den Fehler auszugleichen oder dem Fahrer/Betreiber des Fahrzeugs/der Anlage bei einem Totalausfall des Sensors durch optische und/oder akustische Warnungen davon in Kenntnis zu setzen. Dies ist insbesondere von Vorteil bei Partikelsensoren, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts von einem Partikelfilter verbaut sind, und dabei unklar ist, ob der Partikelsensor ordnungsgemäß funktioniert und das Abgas nur einen geringen bis gar keinen Russanteil aufweist oder ob der Partikelsensor fehlerhaft ist und möglicherweise das Abgas aber gerade stark mit Ruß belastet ist. In vorteilhafter Weise erfolgt die erfindungsgemäße Funktionsprüfung des Sensors sowohl bei der Endkontrolle vor der Auslieferung an den Kunden als auch während des Betriebs „russfrei”, d. h. in einer Betriebsphase des Fahrzeugs/der Anlage, in der keine Rußpartikel freigesetzt werden, was eventuell die Messwerte verfälschen könnte.
Der Partikelsensor weist zumindest bereichsweise unmittelbar unter den Elektroden in einer Isolationsträgerschicht eine halbleitende Schicht auf, die durch Eigendotierung und/oder durch eine Fremddotierung der Isolationsträgerschicht mit Natrium-Ionen und/oder anderen leicht beweglichen Ionen, z. B. Lithium-Ionen, erzeugt ist, welche einen Anteil im Bereich von 100 ppm bis 10000 ppm in der Isolationsträgerschicht aufweisen. Mittels dieser Dotierung kann insbesondere bei hohen Temperaturen eine gewisse Leitfähigkeit in der halbleitenden Schicht erzeugt werden, in dem die Beweglichkeit der Ionen durch den Temperatureinsatz erhöht wird. Durch die Konzentration und die Auswahl der Ionen können die Eigenschaften der halbleitenden Schicht hinsichtlich des temperaturabhängigen Widerstandes vorgegeben werden.
So weisen derartig erzeugte Schichten im Messbetrieb (Russsammeln) bis etwa 400°C zwischen den Elektroden elektrische Widerstände im Bereich > 100 MΩ auf. Wird diese Schicht zu Diagnosezwecken aufgeheizt, beispielsweise auf etwa 850°C, sinkt der Widerstand auf 0,2 bis 1 MΩ ab, was einem Strom von etwa 10 bis 50 μA bei einer Messspannung von 10 V DC entspricht. Dieser Strom kann als Maß für die Güte des Partikelsensors herangezogen werden.
In einer Ausführungsvariante ist die Fremddotierung der Isolationsträgerschicht zur Erzeugung der halbleitenden Schicht unter den Elektroden durch Natrium-Verunreinigungen aus den im Herstellprozess aufgebrachten Elektroden erzielt worden. Dabei wird dieser eher ungewünschte Effekt gezielt zur Dotierung eingesetzt. Ein zusätzlicher Dotierprozess kann dabei entfallen.
In einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Eigendotierung der Isolationsträgerschicht zur Erzeugung der halbleitenden Schicht unter den Elektroden durch gezielte Einbringung von Natrium-Ionen und/oder anderen leicht beweglichen Ionen in die Isolationsträgerschicht erzeugt ist. Dies ist zwar gegenüber der ersten Variante aufwendiger, ist aber im Hinblick auf eine definierte Dotierung von Vorteil.
Um die halbleitende Schicht des Partikelsensors im Schichtaufbau nach unten zu isolieren, kann unter der halbleitenden Schicht eine Isolationsschicht aus reinem Aluminiumoxid eingebracht sein. Damit kann eine wirkungsvolle Abgrenzung zu, im Partikelsensoraufbau tiefer gelegenen funktionalen Schichten mit ggf. ebenfalls halbleitenden Eigenschaften erzielt werden.
Zusätzlich kann unter der Isolationsschicht aus reinem Aluminiumoxid eine zusätzliche Schicht aus mit Barium dotiertem Aluminiumoxid eingebracht sein, womit eine besonders wirkungsvolle Sperrschicht insbesondere für die leicht beweglichen Natrium-Ionen ausgebildet ist.
Wird zur Eigendiagnose als Messspannung eine Wechselspannung zwischen den Elektroden angelegt, ergibt sich eine einfache Auswertung des Eigendiagnosestroms, wobei der schaltungstechnische Aufwand der Auswertung deutlich reduziert ist.
In einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass zur Eigendiagnose als Messspannung eine Gleichspannung zwischen den Elektroden angelegt und der Partikelsensor vor oder nach der Beschaltung mit Gleichspannung mittels des Heizelementes auf Temperaturen > 500°C, vorzugsweise auf etwa 850°C aufgeheizt wird. Die Aufheizung des Partikelsensors auf diese Temperaturen erfolgt dabei in bevorzugter Verfahrensvariante für mindestens 30 Sekunden, typischerweise für etwa eine Minute.
Durch Anlegen einer Gleichspannung, was insbesondere in Fahrzeugen von Vorteil sein kann, ergibt sich normalerweise ein Polarisationseffekt, der zur Folge hat, dass die Leitfähigkeit der halbleitenden Schicht stetig abnimmt. Durch die Aufheizung kann diese wieder regeneriert werden, da durch diese Maßnahme die leicht beweglichen Ionen wieder gleichmäßig innerhalb der halbleitenden Schicht verteilt werden können und somit die Polarisation wieder aufgehoben werden kann. Zusätzlich kann ein Umladepuls von 1 bis 1000 ms Dauer bei etwa –10 V DC Spannung aufgeprägt werden, um eine „aktive” Regeneration zu erzielen. Als Maß für die Güte des Partikelsensors mit seinen Elektroden kann bei dieser Verfahrensvariante der Maximalwert des gemessenen Eigendiagnosestroms herangezogen werden, der sich direkt bei Anlegen der Messspannung ergibt.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Beschaltung der Elektroden mit Gleichspannung nur für eine kurze Zeit im Bereich von 1 ms bis 100 ms durchgeführt wird. Dies bietet den Vorteil, dass in diesen kurzen Zeitintervallen die halbleitende Schicht nur geringfügig polarisiert wird und daher mehrere Messzyklen (beispielsweise bis zu 1000 Zyklen) über längere Zeiten möglich sind, bis wieder eine Regeneration erfolgen muss.
Eine bevorzugte Anwendung der Verfahrensvarianten, wie sie zuvor beschrieben wurde, sieht die Regeneration des Partikelsensors im Rahmen einer On-Board-Diagnose bei einer Diesel-Brennkraftmaschine vor. In dieser Anwendung kommt es insbesondere auf eine genaue und reproduzierbare Diagnose der Partikelbeladung eines im Abgasstrang der Diesel-Brennkraftmaschine angeordneten Russpartikelfilters (DPF) an.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in der das Verfahren angewendet werden kann,
2 schematisch einen Partikelsensor in einer Explosionsdarstellung und
3 ein Messdiagramm zur Eigendiagnose des Partikelsensors.
1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Eine Brennkraftmaschine 10, die als Dieselmotor ausgeführt sein kann, bekommt Verbrennungsluft über eine Luftzuführung 11 zugeführt. Dabei kann die Luftmenge der Verbrennungsluft mittels eines Luftmassenmessers 12 in der Luftzuführung 11 bestimmt werden. Die Luftmenge kann bei einer Korrektur einer Anlagerungswahrscheinlichkeit von im Abgas der Brennkraftmaschine 10 vorhandenen Partikeln verwendet werden. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgasstrang 17 abgeführt, in dem eine Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet ist. Diese Abgasreinigungsanlage 16 kann als Diesel-Partikelfilter ausgeführt sein. Weiterhin sind im Abgasstrang 17 eine als Lambdasonde ausgeführte Abgassonde 15 und ein Partikelsensor 20 angeordnet, deren Signale einer Motorsteuerung 14 zugeführt werden. Die Motorsteuerung 14 ist weiterhin mit dem Luftmassenmesser 12 verbunden und bestimmt auf Basis der ihr zugeführten Daten eine Kraftstoffmenge, die über eine Kraftstoff-Dosierung 13 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt werden kann.
Der Partikelsensor 20 kann dabei auch in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet sein, was Vorteile hinsichtlich einer Homogenisierung der Abgasströmung an dieser Stelle mit sich bringt und insbesondere beim Einsatz im Rahmen der On-Board-Diagnose der Fall ist. Mit den gezeigten Vorrichtungen ist eine Beobachtung des Partikelausstoßes der Brennkraftmaschine 10 und eine Prognose der Beladung der als Diesel-Partikelfilter (DPF) ausgebildeten Abgasreinigungsanlage 16 möglich.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 20 entsprechend dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung.
Auf Isolierträgerschichten 21, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 22 und eine zweite Elektrode 23 aufgebracht. Die Elektroden 22, 23 sind in Form zweier interdigitaler, ineinander greifender Kammelektroden ausgeführt. An den stirnseitigen Enden der Elektroden 22, 23 sind ein erster Anschluss 24 und ein zweiter Anschluss 25 vorgesehen, über welche die Elektroden 22, 23 zur Spannungsversorgung und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten Sensorsteuereinheit verbunden werden können.
Zusätzlich ist im gezeigten Beispiel zwischen den Isolierträgerschichten 21 ein Heizelement 26 integriert, welches über zusätzliche Anschlüsse mit der Sensorsteuereinheit verbunden ist.
Wird ein solcher Partikelsensor 20 in einem Partikel 29 führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors oder einer Feuerungsanlage, betrieben, so lagern sich Partikel 29 aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 20 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln 29 um Rußpartikel mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Dabei hängt die Ablagerungsrate der Partikel 29 an den Partikelsensor 20 neben der Partikelkonzentration in dem Abgas unter anderem auch von der Spannung ab, welche an den Elektroden 22, 23 anliegt. Durch die anliegende Spannung wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches auf elektrisch geladene Partikel 29 und auf Partikel 29 mit einer Dipol-Ladung eine entsprechende Anziehung ausübt. Durch geeignete Wahl der an den Elektroden 22, 23 anliegenden Spannung kann daher die Ablagerungsrate der Partikel 29 beeinflusst werden.
In dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 22, 23 und die oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der sich die Elektroden 22, 23 befinden, mit einer Schutzschicht 27 überzogen. Diese optionale Schutzschicht 27 schützt die Elektroden 22, 23 bei den zumeist vorherrschenden hohen Betriebstemperaturen des Partikelsensors 20 vor Korrosion. Sie ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Material mit einer geringen Leitfähigkeit hergestellt, kann jedoch auch aus einem Isolator gefertigt sein.
Auf der Schutzschicht 27 haben sich Partikel 29 aus dem Gasstrom in Form einer Schicht abgelagert. Durch die gering leitfähige Schutzschicht 27 bilden die Partikel 29 einen leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden 22, 23, so dass sich, abhängig von der Menge der abgelagerten Partikel 29, eine Widerstandsänderung zwischen den Elektroden 22, 23 ergibt. Diese kann zum Beispiel gemessen werden, in dem eine konstante Spannung an die Anschlüsse 24, 25 der Elektroden 22, 23 angelegt und die Änderung des Stromes durch die angelagerten Partikel 29 bestimmt wird.
Ist die Schutzschicht 27 isolierend aufgebaut, führen die abgelagerten Partikel 29 zu einer Änderung der Impedanz des Partikelsensors 20, was durch eine entsprechende Messung, bevorzugt mit einer Wechselspannung, ausgewertet werden kann.
Ist der Partikelsensor 20 so weit mit einer Schicht aus Partikeln 29 belegt, dass zusätzlich angelagerte Partikel 29 zu keiner zusätzlichen Änderung des Widerstandes beziehungsweise der Impedanz des Partikelsensors 20 führen, so wird der Partikelsensor 20 innerhalb einer Regenerationsphase regeneriert. Dazu wird der Partikelsensor 20 mit Hilfe des Heizelements 26 so weit aufgeheizt, dass die anliegenden Partikel 29 verbrennen. In einer ersten Phase nach der Regeneration, wenn nur wenige Partikel 29 an dem Partikelsensor 20 anliegen, ist keine aussagekräftige Widerstands- oder Impedanzmessung möglich. Erst nach einer ausreichend langen Zeit liegen wieder so viele Partikel 29 an dem Partikelsensor 20 an, dass sich über die Partikel 29 ein geschlossener Strompfad zwischen den Elektroden 22, 23 ausbildet und eine Messung möglich wird. Bekannte Auswerteverfahren bestimmen die Zeit nach einer Regeneration bis zur Erreichung einer vorgegebenen Schwelle des Messsignals, beispielsweise eines vorgegebenen Stromwertes, um eine Aussage über die Partikelkonzentration in dem Gasstrom zu ermitteln. Alternative Verfahren nutzen die Signal-Änderungsgeschwindigkeit nach Erreichen eines Mindestsignals zur Bestimmung der Partikelkonzentration.
Die oberste Isolationsträgerschicht 21, auf der sich die Elektroden 22, 23 befinden, ist erfindungsgemäß zusätzlich dotiert, so dass eine halbleitende Schicht 28 ausgebildet ist. Diese kann beispielsweise wie folgt ausgebildet sein:
Variante 1:
Unterhalb der Elektroden 22, 23 befindet sich die Isolationsträgerschicht 21, welche aus reinem Aluminiumoxid ausgebildet ist. Diese wird durch Natrium-Verunreinigungen verunreinigt, wenn die Elektroden 22, 23, welche üblicherweise als Platin-Messelektroden ausgebildet sind, aufgebracht werden. Dadurch bildet sich im Bereich der Elektroden 22, 23 die halbleitende Schicht 28 aus. Die Elektroden 22, 23 können besonders einfach und kostengünstig mittels eines Siebdruckverfahren aufgebracht und durch einen anschließenden Einbrandprozess auf der Isolationsträgerschicht 21 fixiert werden. Dabei können die Natrium-Ionen in die Isolationsträgerschicht 21 eindiffundieren und die halbleitende Schicht ausbilden.
Variante 2:
Unterhalb der Elektroden 22, 23 befindet sich die Isolationsträgerschicht 21, welche aus reinem Aluminiumoxid ausgebildet ist, in die durch gezielte Dotierung Natrium-Ionen eingebracht sind. Die Konzentration der Natrium-Ionen in der Isolationsträgerschicht 21 beträgt in der Dotierungszone, welche die halbleitende Schicht 28 ausbildet, zwischen 100 ppm und 10000 ppm. Typischerweise liegt dieser Wert bei etwa 1000 ppm. Grundsätzlich können auch andere leicht bewegliche Ionen, wie beispielsweise Lithium, als Dotierung eingebracht werden.
Variante 3:
Wie in Variante 2 aufgeführt, ist die Isolationsträgerschicht 21 durch gezielte Dotierung mit Natrium-Ionen angereichert und bildet somit die halbleitenden Schicht 28 aus. Um die halbleitenden Schicht 28 nach unten hin zu anderen funktionalen Schichten des Partikelsensors 20 zu isolieren, ist unmittelbar unter der halbleitenden Schicht 28 eine weitere Schicht aus Aluminiumoxid eingebracht. Zusätzlich kann unter dieser Schicht noch eine Schicht aus Barium-dotiertem Aluminiumoxid eingebracht sein, welche insbesondere für die leicht beweglichen Natrium-Ionen als Sperrschicht wirkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen den Elektroden 22, 23 angelegt und ein Eigendiagnosestrom 31, welcher durch die Elektroden 22, 23 und die halbleitende Schicht 28 fließt, gemessen wird, wobei der Eigendiagnosestrom 31 ein Maß für die Funktionstüchtigkeit des Partikelsensors 20 bzw. für seine Güte ist.
Dabei ist in einer Verfahrensvariante vorgesehen, dass zur Eigendiagnose als Messspannung eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 22, 23 angelegt wird.
In einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass zur Eigendiagnose als Messspannung eine Gleichspannung zwischen den Elektroden 22, 23 angelegt wird. Aufgrund von Polarisationseffekten nimmt bei dieser Variante der Eigendiagnosestrom 31 nach Anlegen der Messspannung stetig ab. Daher ist vorgesehen, dass der Partikelsensor 20 vor oder nach der Beschaltung mit Gleichspannung mittels des Heizelementes 26 auf Temperaturen > 500°C, typischerweise auf ca. 850°C aufgeheizt wird, so dass die halbleitende Schicht 28 sich wieder regenerieren kann, wobei sich die Natrium-Ionen wieder gleichmäßig in der halbleitenden Schicht 28 verteilen können, so dass die Polarisation wieder aufgehoben wird. Diese zur Regeneration dienende Aufheizung wird üblicherweise für mindestens 30 Sekunden, typischerweise für etwa 1 Minute durchgeführt. Diese Regenerationstemperatur kann dabei beispielsweise mittels eines Messmäanders (Platin-Widerstand), der üblicherweise zur Temperaturüberwachung im Partikelsensor 20 integriert ist, überwacht und geregelt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der temperaturabhängige Widerstand des Heizelements 26 zur Temperaturüberwachung bzw. zur Temperaturregelung eingesetzt werden.
Eine Verfahrensvariante sieht bei Beschaltung der Elektroden 22, 23 mit Gleichspannung vor, dass diese nur für eine kurze Zeit, im Bereich von 1 ms bis 100 ms, typischerweise für 10 ms, an den Elektroden 22, 23 anliegt.
3 zeigt beispielhaft ein Messdiagramm 30, bei dem der zeitliche Verlauf des Eigendiagnosestroms 31 dargestellt ist. Aufgetragen ist ein Strom 32 über die Zeit 33, welcher über die Elektroden 22, 23 und durch die halbleitende Schicht 28 fließt, wenn die Messspannung angelegt ist.
Im gezeigten Beispiel wird als Messspannung eine Gleichspannung von 10 V angelegt. Der Eigendiagnosestrom 31 steigt zunächst, abhängig von der Dotierung der halbleitenden Schicht 28 auf Werte zwischen 10 μA und 50 μA und fällt innerhalb von etwa 10 s aufgrund der Polarisationseffekte stetig auf Null ab. Die Höhe des Anfangwertes für den Eigendiagnosestrom 31 kann als Nachweis für die Funktionsfähigkeit des Partikelsensors 20 herangezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10133384 A1 [0004]
- DE 10149333 A1 [0005]
- DE 102004028997 A1 [0006]
- DE 10319664 A1 [0007]
- EP 1925926 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor (20) auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden (22, 23) und ein, durch eine Isolationsschicht von den Elektroden (22, 23) getrenntes Heizelement (26) aufweist, mit dem der Partikelsensor (20) in einer Regenerationphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor (20) entfernt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Fremddotierung oder Eigendotierung in der Isolationsschicht unmittelbar unter den Elektroden (22, 23) eine halbleitende Schicht (28) ausgebildet wird und zur Eigendiagnose zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen den Elektroden (22, 23) angelegt und ein Eigendiagnosestrom (31) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eigendiagnose als Messspannung eine Wechselspannung zwischen den Elektroden (22, 23) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eigendiagnose als Messspannung eine Gleichspannung zwischen den Elektroden (22, 23) angelegt und der Partikelsensor (20) vor oder nach der Beschaltung mit Gleichspannung mittels des Heizelementes (26) auf Temperaturen > 500°C aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Partikelsensors (20) auf Temperaturen > 500°C für mindestens 30 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltung der Elektroden (22, 23) mit Gleichspannung nur für eine kurze Zeit im Bereich von 1 ms bis 100 ms durchgeführt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Rahmen einer On-Board-Diagnose bei einer Diesel-Brennkraftmaschine.
Vorrichtung zur Eigendiagnose eines Partikelsensors (20) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor (20) auf seiner Oberfläche mindestens zwei ineinander greifende interdigitale Elektroden (22, 23) und ein, durch eine Isolationsschicht von den Elektroden (22, 23) getrenntes Heizelement (26) aufweisen, mit dem der Partikelsensor (20) in einer Regenerationphase aufgeheizt und dabei eine Russbeladung am Partikelsensor (20) entfernt werden kann, wobei der Partikelsensor (20) mit einer Motorsteuerung (14) oder einer Sensorsteuereinheit in Verbindung steht und die Motorsteuerung (14) oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Diagnose der Russbeladung des Partikelsensors (20) und des Partikelsensors (20) selbst aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (14) oder die Sensorsteuereinheit Einrichtungen zur Auswertung eines Eigendiagnosestroms (31) bei Anlegen einer Wechsel- oder Gleichspannung als Messspannung an den Elektroden (22, 23) aufweist und dass der Partikelsensor (20) bei Verwendung von Gleichspannung als Messspannung mittels der Motorsteuerung (14) oder der Sensorsteuereinheit zur Eigendiagnose kurzzeitig auf Temperaturen > 500°C aufheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (20) zumindest bereichsweise unmittelbar unter den Elektroden (22, 23) in einer Isolationsträgerschicht (21) eine halbleitende Schicht (28) aufweist, die durch Eigendotierung und/oder durch eine Fremddotierung der Isolationsträgerschicht (21) mit Natrium-Ionen und/oder anderen leicht beweglichen Ionen erzeugt ist, welche einen Anteil im Bereich von 100 ppm bis 10000 ppm in der Isolationsträgerschicht (21) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremddotierung der Isolationsträgerschicht (21) zur Erzeugung der halbleitenden Schicht (28) unter den Elektroden (22, 23) durch Natrium-Verunreinigungen aus den im Herstellprozess aufgebrachten Elektroden (22, 23) erzielt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigendotierung der Isolationsträgerschicht (21) zur Erzeugung der halbleitenden Schicht (28) unter den Elektroden (22, 23) durch gezielte Einbringung von Natrium-Ionen und/oder anderen leicht beweglichen Ionen in die Isolationsträgerschicht (21) erzeugt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass unter der halbleitenden Schicht (28) eine Isolationsschicht aus reinem Aluminiumoxid eingebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Isolationsschicht aus reinem Aluminiumoxid eine zusätzliche Schicht aus mit Barium dotiertem Aluminiumoxid eingebracht ist.