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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußsensor, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Rußsensor sowie ein Herstellungsverfahren eines Rußsensors.
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Rußsensoren werden im Abgassystem von Brennkraftmaschinen verwendet, um einen Defekt oder eine vollständige Beladung eines Rußpartikelfilters zu erkennen. Insbesondere werden Rußsensoren im Abgassystem von Dieselmotoren verwendet.
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Die verwendeten Rußsensoren messen üblicherweise resistiv, das heißt aufgrund einer Änderung eines elektrischen Widerstands in einer Sensorstruktur des Rußsensors. Die Sensorstruktur weist beispielsweise eine Doppelkammstruktur auf. Diese Doppelkammstruktur ist im rußfreien Zustand hochohmig. Lagert sich Ruß zwischen Fingern der Doppelkammstruktur ab, nimmt der elektrische Widerstand der Doppelkammstruktur ab. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Rußbeladung der elektrische Widerstand der Doppelkammstruktur sinkt. Auf diese Weise ist Ruß detektierbar.
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Ist die Doppelkammstruktur des Rußsensors vollständig beladen, wird sie elektrisch beheizt. Dies erfolgt über ein Heizelement. Dieses Heizelement muss eine Temperatur von 550° bis 700° Celsius erreichen, da in diesem Temperaturbereich Ruß anfängt zu verbrennen. Dieser Vorgang wird allgemein als Freiheizen bezeichnet.
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Nachdem der Ruß vollständig verbrannt wurde, ist die Doppelkammstruktur wieder in ihrem ursprünglichen Zustand, d. h. hochohmig. Im Anschluss an das Freibrennen wird das Heizelement abgeschaltet und eine erneute Messung mit dem Rußsensor kann erfolgen.
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Aus der
WO 2006/111386 A1 ist ein resistiver Rußsensor bekannt, bei dem sowohl die Doppelkammstruktur als auch das Heizelement auf derselben Seite eines Trägers angeordnet sind.
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Allerdings weisen herkömmliche Rußsensoren den Nachteil auf, dass beim Freiheizen der Sensorstruktur zu hohe Potentialdifferenzen an der Doppelkammstruktur anliegen, wodurch die Sensorstruktur aufgrund von Funkenüberschlag zerstört werden kann. Weiterhin kann das Heizelement durch Oxidation, Elektrolyse, Korrosion oder andere Effekte beschädigt werden, da es ungeschützt offen liegt.
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Auch die Sensorstruktur kann beschädigt werden, beispielsweise durch Einwirkung eines Wasseranteils im Abgasstrom oder durch wässrige Salz- oder Säurelösungen. Insbesondere löst sich die Sensorstruktur aufgrund von Elektrolyse ab. So können sich die Kathoden der Sensorstruktur durch elektrolytische Wasserstoffbildung von der Unterlage lösen. Eine Schädigung der Doppelkammstruktur beginnt an den Kammspitzen der Doppelkammstruktur und schält die Bahn ab. Aufgrund der abgeschälten Bahnen können Kurzschlüsse verursacht werden, was die Sensorstruktur mindestens teilweise beschädigen kann.
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Die objektive technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Optimierung eines Rußsensors im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Vergleich zum Stand der Technik sowie das Bereitstellen einer Abgasvorrichtung mit einem optimierten Rußsensor und das Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung des optimierten Rußsensors.
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Die oben genannte Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Rußsensor gemäß Anspruch 1, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rußsensor gemäß Anspruch 8 sowie ein Herstellungsverfahren eines Rußsensors gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen hervor.
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Ein erfindungsgemäßer Rußsensor umfasst eine auf einem Träger aufgebrachte Sensorstruktur, ein auf dem Träger aufgebrachtes Heizelement, mit dem die Sensorstruktur beheizbar ist, sowie eine Isolationsstruktur, die mindestens teilweise das Heizelement und/oder die Sensorstruktur bedeckt und mit der das Heizelement und/oder die Sensorstruktur chemisch und/oder elektrisch isolierbar sind.
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Ein Rußsensor umfasst einen Träger, eine Sensorstruktur sowie ein Heizelement und eine Isolationsstruktur. Der Träger eines Rußsensors besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Saphir. Auf diesem Träger ist eine Sensorstruktur auf einer ersten Seite des Trägers angebracht. Bei der Sensorstruktur handelt es sich insbesondere um eine Struktur, die gemäß einem resistiven Messverfahren einen Rußanteil ermittelt.
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Weiterhin ist ein Heizelement auf dem Träger angebracht. Das Heizelement kann auf dem Träger auf der ersten Seite angebracht werden, beispielsweise um die Sensorstruktur herum. Alternativ ist das Heizelement auf einer der Sensorstruktur gegenüber liegenden zweiten Seite des Trägers angebracht.
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Für einen elektrischen Anschluss des Rußsensors weisen sowohl die Sensorstruktur als auch das Heizelement beispielsweise jeweils zwei eigene Anschlüsse auf.
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Die Isolationsstruktur bedeckt mindestens teilweise das Heizelement und/oder mindestens teilweise die Sensorstruktur. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Sensorstruktur und Heizelement auf der gleichen Trägerseite angeordnet sind. Die Isolationsstruktur kann sowohl eine lediglich bedeckende Struktur als auch eine einbettende Struktur sein. Weiterhin können das Heizelement und/oder die Sensorstruktur auch mit der Isolationsstruktur umgossen sein.
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Wenn die Isolationsstruktur mindestens teilweise das Heizelement bedeckt, isoliert die Isolationsstruktur das Heizelement an den entsprechenden Stellen elektrisch gegen die Umgebung. Auf einer Oberfläche des Trägers erzeugte elektrische Potentiale gelangen dann nicht mehr auf die Sensorstruktur. Dadurch ist eine Beschädigung der Sensorstruktur durch das Heizelement vermeidbar. Insbesondere kann sich die Isolationsstruktur von einem Rand des Trägers über das Heizelement bis an den Rand der Sensorstruktur erstrecken. Die Isolationsstruktur kann sich allerdings auch nur zwischen der Sensorstruktur und dem Heizelement befinden.
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Ein Vorteil der über dem Heizelement oder zwischen Heizelement und Sensorstruktur angeordneten Isolationsstruktur ist, dass das Heizelement näher an der Sensorstruktur angeordnet werden kann im Vergleich zum Stand der Technik. Dadurch kann auch der Träger im Vergleich zum Stand der Technik kleiner werden, was insgesamt eine Kostensenkung darstellt.
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Wenn die Isolationsstruktur mindestens teilweise die Sensorstruktur bedeckt, isoliert die Isolationsstruktur die Sensorstruktur an den entsprechenden Stellen elektrisch und chemisch gegen die Umgebung. Insbesondere ist die Sensorstruktur an ihren Rändern durch die Isolationsstruktur abgedeckt.
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Ein Vorteil der mindestens teilweise über der Sensorstruktur angeordneten Isolationsstruktur ist, dass die Sensorstruktur durch die Isolationsstruktur auf dem Träger festgehalten wird und sich nicht mehr abschälen kann. Dies resultiert in einer längeren Haltbarkeit des Rußsensors im Vergleich zu Rußsensoren gemäß Stand der Technik.
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Weiterhin kann die Isolationsstruktur sowohl mindestens teilweise das Heizelement als auch mindestens teilweise die Sensorstruktur abdecken. Ein Rußsensor mit einer so ausgestalteten Isolationsstruktur weist alle oben genannten Vorteile auf.
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Besonders vorteilhaft ist eine Sensorstruktur in Form einer Doppelkammstruktur. Diese Doppelkammstruktur besteht aus einer ersten und einer zweiten Kammstruktur mit Kammspitzen. Die Isolationsstruktur bedeckt insbesondere die Kammspitzen der ersten und/oder zweiten Kammstruktur. Dies kann vollständig oder teilweise erfolgen. Wie bereits oben dargelegt, wird die Sensorstruktur auf diese Weise an dem Träger befestigt. Insbesondere werden die Kammspitzen festgehalten. Selbst wenn sich eine Bahn bzw. ein Finger eines Kamms von dem Träger löst, wird der abgelöste Finger an der Spitze von der Isolationsstruktur gehalten und kann sich nicht aufrollen. Auf diese Weise werden Kurzschlüsse verhindert, wodurch eine Haltbarkeit des Sensors im Vergleich zum Stand der Technik verlängert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen Fingern der ersten Kammstruktur und Fingern der zweiten Kammstruktur nicht mehr als 10 μm. Durch den im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Abstand zwischen den Fingern der ersten und zweiten Kammstruktur kann die Genauigkeit des Sensors erhöht werden.
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Weiterhin bevorzugt ist, dass das Heizelement und die Sensorstruktur einen gemeinsamen Masseanschluss aufweisen. Dies reduziert die Breite des Rußsensors im Vergleich zu getrennten Masseanschlüssen des Heizelements und der Sensorstruktur. In Folge dessen können auch die Herstellungskosten des Rußsensors gesenkt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Isolationsstruktur aus AL2O3. Neben AL2O3 können weiterhin alle Hochtemperaturgläser für die Isolationsstruktur verwendet werden, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden können. Mittels der Isolationsstruktur werden somit die jeweiligen Komponenten (Heizelement, Sensorstruktur) mindestens teilweise beispielsweise umgossen oder eingebettet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Isolationsstruktur eine Deckschicht.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass mit dem Heizelement eine Umgebungstemperatur erfassbar ist und die Sensorstruktur erst über einer vorbestimmbaren Umgebungstemperatur betreibbar ist. Wird mit dem Heizelement nicht geheizt, kann es als Temperatursensor benutzt werden. Insbesondere dient eine Temperaturerfassung dazu, eine Beschädigung der Sensorstruktur aufgrund zu niedriger Umgebungstemperaturen zu vermeiden. Liegt die Umgebungstemperatur beispielsweise unter 100°C, können sich wässrige Medien zwischen der Sensorstruktur ansammeln, was im Betrieb des Rußsensors zu einem Kurzschluss führen könnte.
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Eine erfindungsgemäße Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine weist einen erfindungsgemäßen Rußsensor auf. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich insbesondere um einen Dieselmotor. Der Rußsensor ist beispielsweise hinter einem Rußpartikelfilter in einer Abgasvorrichtung angeordnet. Auf diese Weise sind eine vollständige Beladung sowie ein Defekt des Rußpartikelfilters diagnostizierbar.
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Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Rußsensors weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Trägers, Anbringen einer Sensorstruktur auf dem Träger, Anbringen eines Heizelements auf dem Träger, mit dem die Sensorstruktur beheizbar ist, und Anbringen einer Isolationsstruktur mindestens teilweise auf dem Heizelement und/oder der Sensorstruktur, die das Heizelement und/oder die Sensorstruktur chemisch und/oder elektrisch isoliert.
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Mit Hilfe dieses Herstellungsverfahrens kann der oben beschriebene erfindungsgemäße Rußsensor hergestellt werden. Der Rußsensor weist dementsprechend die oben ausgeführten Vorteile auf.
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Zunächst wird ein Träger beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Saphir bereitgestellt. Dann wird eine Sensorstruktur auf dem Träger angebracht. Die Sensorstruktur besteht beispielsweise aus Platin und wird aufgesputtert. In einem weiteren Schritt wird ein Heizelement mittels Dickschicht- oder Dünnschichtverfahren auf dem Träger angeordnet, so dass mit dem Heizelement die Sensorstruktur beheizbar ist. Das Anbringen des Heizelements kann vor oder nach dem Anbringen der Sensorstruktur erfolgen. Insbesondere erfolgt das Anbringen des Heizelements mittels Siebdruck, Sputtern, physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder mittels Bedampfen des Trägers.
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Weiterhin wird eine Isolationsstruktur mindestens teilweise auf dem Heizelement und/oder der Sensorstruktur angebracht. Das Anbringen der Isolationsstruktur kann direkt nach dem Anbringen der Sensorstruktur erfolgen, wenn nur die Sensorstruktur teilweise abgedeckt werden soll oder nach dem Anbringen des Heizelements, wenn nur das Heizelement mindestens teilweise abgedeckt werden soll. Sollen sowohl das Heizelement als auch die Sensorstruktur abgedeckt werden, wird die Isolationsstruktur erst angebracht, nachdem sowohl das Heizelement als auch die Sensorstruktur auf dem Träger angebracht wurden.
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Mit der angebrachten Isolationsstruktur sind entsprechend abgedeckte Bereiche chemisch und/oder elektrisch gegen die Umgebung isolierbar, wie oben ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Sensorstruktur aus einer Doppelkammstruktur mit einer ersten und einer zweiten Kammstruktur mit Kammspitzen, wobei das Anbringen der Isolationsstruktur erfolgt, indem die Isolationsstruktur über den Kammspitzen der ersten Kammstruktur und/oder den Kammspitzen der zweiten Kammstruktur angebracht wird. Auf diese Weise werden die Kammspitzen der Sensorstruktur an dem Träger festgehalten. Dies sorgt für eine zusätzliche Stabilisierung der Sensorstruktur im Vergleich zum Stand der Technik.
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Weiterhin wird bevorzugt AL2O3 für die Isolationsstruktur verwendet. Weiterhin sind neben AL2O3 alle Hochtemperaturgläser für die Isolationsstruktur verwendbar, die mittels Siebdruckverfahren angebracht werden können.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Rußsensors mit Isolationsstruktur,
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2 einen Ausschnitt eines Rußsensors aus 1,
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rußsensors mit Isolationsstruktur und
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4 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines Rußsensors.
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Ein erfindungsgemäßer Rußsensor wird beispielsweise in einer Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine verwendet (nicht dargestellt). Die Brennkraftmaschine ist insbesondere ein Dieselmotor. Die Abgasvorrichtung weist zusätzlich einen Partikelfilter auf. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Rußsensor dann hinter dem Partikelfilter in Strömungsrichtung angeordnet.
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Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche Komponenten.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rußsensor 1. Dieser besteht aus einem Träger 10, einer Sensorstruktur 20 sowie einem Heizelement 30.
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Der Träger 10 besteht aus Aluminiumoxid oder Saphir. Die Sensorstruktur 20 besteht aus Platin und weist eine erste Kammstruktur 22 sowie eine zweite Kammstruktur 24 auf.
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Im Betrieb des Dieselmotors lagert sich Ruß zwischen Fingern der ersten 22 und zweiten Kammstruktur 24 ab. Die Anlagerung von Ruß zwischen den Kammstrukturen 22, 24 reduziert den elektrischen Widerstand der Sensorstruktur 20. Aufgrund einer Änderung des elektrischen Widerstands ist somit eine Rußbeladung des Rußsensors erfassbar.
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Weiterhin weist der Rußsensor 1 eine Isolationsstruktur 40 auf. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Isolationsstruktur über dem Heizelement 30 sowie über Teilen der ersten 22 und zweiten Kammstruktur 24 angebracht.
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Die mindestens teilweise das Heizelement 30 bedeckende Isolationsstruktur 40 isoliert das Heizelement 30 an den entsprechenden Stellen elektrisch gegen die Umgebung. Auf einer Oberfläche des Trägers 10 erzeugte elektrische Potentiale gelangen dann nicht mehr auf die Sensorstruktur 20. Dadurch ist eine Beschädigung der Sensorstruktur 20 durch das Heizelement 30 vermeidbar. Die mindestens teilweise die Sensorstruktur 20 bedeckende Isolationsstruktur 40 isoliert weiterhin die Sensorstruktur 20 an den entsprechenden Stellen elektrisch und chemisch gegen die Umgebung. Auf diese Weise wird die Sensorstruktur 20 an dem Träger 10 festgehalten.
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In 2 ist ein Ausschnitt des Rußsensors aus 1 dargestellt. Die Deckschicht 40 deckt hierbei insbesondere das Heizelement 30 vollständig sowie die Kammspitzen der zweiten Kammstruktur 24 ab. Auf diese Weise ist das Heizelement 30 elektrisch gegenüber der Sensorstruktur 20 isoliert. Weiterhin sind die abgedeckten Kammspitzen der Kammstruktur 22, 24 durch die Isolationsstruktur 40 an dem Träger 10 befestigt. Auf diese Weise kann das Heizelement 30 näher an der Sensorstruktur 20 im Vergleich zum Stand der Technik befestigt werden. Ein Abstand zwischen Heizstruktur 30 und Sensorstruktur 20 kann beispielsweise 20 μm betragen. Ein Abstand zwischen den Fingern der ersten 22 und zweiten Kammstruktur 24 beträgt beispielsweise 10 μm.
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Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Abstände kann auch der Träger 10 verkleinert werden. Allerdings ist darauf zu achten, dass durch das außen liegenden Heizelement 30 ein Rand des Trägers 10 beispielsweise aufgrund eines plötzlichen und lokal begrenzten Kalt-Heißübergangs reißen kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, dass die an einem elektrischen Anschlusspunkt breite Heizleitung kontinuierlich zum Heizelement 30 hin verengt wird.
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Die Isolationsstruktur 40 kann sich insbesondere von dem Rand des Trägers über das Heizelement bis an einen Rand der Sensorstruktur 20 erstrecken. Die Isolationsstruktur 40 kann sich allerdings auch nur zwischen der Sensorstruktur 20 und dem Heizelement 30 befinden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußsensors 1. Die Deckschicht 40 deckt hierbei vollständig das Heizelement 30 sowie die Kammspitzen der ersten 22 und zweiten Kammstruktur 24 ab. Lediglich der in der Mitte liegende Bereich der Sensorstruktur 20 ist freigelassen, so dass sich zwischen den Fingern der beiden Kammstrukturen 22, 24 Ruß anlagern kann.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Rußsensors. In Schritt A wird ein Träger bereitgestellt. Das Anbringen einer Sensorstruktur erfolgt in Schritt B, beispielsweise durch Aufsputtern. In Schritt C wird das Heizelement mittels Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren auf dem Träger angebracht. Insbesondere erfolgt das Anbringen des Heizelements mittels Siebdruck, Sputtern, physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder Bedampfen. Das Anbringen des Heizelements kann vor oder nach dem Anbringen der Sensorstruktur 20 erfolgen.
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In Schritt D wird die Isolationsstruktur mindestens teilweise über dem Heizelement und/oder der Sensorstruktur angebracht. Die Isolationsstruktur isoliert dabei elektrisch und/oder chemisch die bedeckten Abschnitte gegen die Umgebung.
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Besteht die Sensorstruktur aus einer Doppelkammstruktur mit einer ersten Kammstruktur und einer zweiten Kammstruktur mit Kammspitzen, wird die Isolationsstruktur in einem Schritt E über den Kammspitzen der ersten Kammstruktur 22 und in einem Schritt F über den Kammspitzen der zweiten Kammstruktur 24 angebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rußsensor
- 10
- Träger
- 20
- Sensorstruktur
- 22
- erste Kammstruktur
- 24
- zweite Kammstruktur
- 30
- Heizelement
- 40
- Isolationsstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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