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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Partikelsensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger, einem auf der Oberfläche des Trägers angeordneten Messflächensubstrat mit einer dem Gasstrom aussetzbaren Leiterbahnstruktur mit entsprechenden Leiterbahnanschlüssen, auf dem Träger angeordneten Leiterbahnen, die über Kontaktstellen mit den Leiterbahnanschlüssen des Messflächensubstrates verbunden sind, und einer Heizeinrichtung zum Beheizen der Leiterbahnstruktur zum Reinigen derselben.
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Ein derartiges Sensorelement ist bekannt und findet insbesondere als Rußsensor im Abgassystem von Dieselmotoren Verwendung. Mit Hilfe des Messflächensubstrates wird beispielsweise über eine Widerstands-, Kapazitäts- oder Impedanzmessung der Anteil der im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel erfasst und in der Form von elektrischen Signalen einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Auf dem Messflächensubstrat befindet sich eine Leiterbahnstruktur, die beispielsweise als Interdigitalelektrode (Kammelektrode IDE) oder als Widerstandsmäander ausgebildet ist. Dieses Messflächensubstrat wird beispielsweise in Dünnfilmtechnik als Extrasubstrat auf den Träger aufgebracht. Die Leiterbahnstruktur besteht beispielsweise aus feinen Platinbahnen, die das Messflächensubstrat bilden oder auf dieses aufgedruckt sind. Jedenfalls stellt das Messflächensubstrat eine relativ teure Baueinheit dar, die auf den relativ billigen Träger, der beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff, wie Aluminiumoxid, bestehen kann, aufgebracht ist.
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Die Leiterbahnstruktur ist mit entsprechenden Leiterbahnanschlüssen versehen, die über Kontaktstellen an auf dem Träger vorgesehene Leiterbahnen angeschlossen sind, welche zu entsprechenden Anschlusskontakten führen. Diese Leiterbahnen können das Substrat über eine relativ billige Dickschichttechnik auf den Träger aufgebracht werden.
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Zur Herstellung des Sensorelementes wird in gängiger Praxis des Standes der Technik das Messflächensubstrat auf den Träger aufgebracht, und zwischen beiden Baueinheiten wird eine elektrische Verbindung hergestellt. Bei dieser Verbindung handelt es sich üblicherweise um eine Drahtbondverbindung, über die die Leiterbahnanschlüsse des Messflächensubstrates an die Leiterbahnen des Trägers angeschlossen werden. Um die entsprechende Verbindung vor Verunreinigungen, mechanischen Beschädigungen und elektrischen Kurzschlüssen zu schützen, wird der Kontaktstellenbereich nach dem Bonden üblicherweise beim Stand der Technik mit einer Kunststoffverkapselung (Glob-Top), beispielsweise aus Epoxidharz, bzw. einer dispensten und dann eingebrannten Keramik versehen. Bei dieser Vorgehensweise werden daher Zusatzmaßnahmen durchgeführt, um eine einwandfreie Verbindung zwischen den Leiterbahnanschlüssen des Messflächensubstrates und den Leiterbahnen des Trägers herzustellen, die gegen Verunreinigungen, Beschädigungen etc. geschützt ist.
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Solche Sensorelemente sind ferner mit Heizeinrichtungen versehen, um die dem Gasstrom ausgesetzte Leiterbahnstruktur des Messflächensubstrates, auf der sich die im Gasstrom enthaltenen Partikel mit fortschreitender Messdauer in zunehmender Weise ablagern, periodisch reinigen zu können. Hierzu erfolgt ein Aufheizen der Leiterbahnstruktur des Messflächensubstrates und damit ein Verbrennen der abgelagerten Partikel, die dadurch vom Messflächensubstrat entfernt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement der eingangs wiedergegebenen Art zu schaffen, das sich besonders kostengünstig herstellen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Sensorelement der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Heizeinrichtung so angeordnet und ausgebildet ist, dass neben der Leiterbahnstruktur des Messflächensubstrates auch die Kontaktstellenbereiche zwischen den Leiterbahnen und den Leiterbahnanschlüssen der Leiterbahnstruktur beheizbar sind.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass durch Anordnung der Kontaktstellen an einer „heißen Stelle” des Sensorelementes die Kontaktstellen dauerhaft sauber gehalten werden können, so dass es eines speziellen Schutzes für die Kontaktstellen (Einkapselung, Keramiküberzug) nicht mehr bedarf. Um eine solche „heiße Stelle” zu verwirklichen, ist erfindungsgemäß die Heizeinrichtung des Sensorelementes so gestaltet, dass die Kontaktstellenbereiche beheizbar sind, und zwar vorzugsweise derart, dass die Kontaktstellen auf eine Temperatur von über 450°C aufheizbar sind. Hierdurch findet eine Selbstreinigung der Kontaktstellen statt, d. h. hierdurch wird die Ablagerung von Verunreinigungen auf den Kontaktstellen vermieden bzw. abgelagerte Verunreinigungen werden verbrannt und dadurch beseitigt. Ein spezieller Schutz der Kontaktstellen, vorzugsweise mittels Hochtemperatur-„Glob-top”, ist daher nicht mehr notwendig.
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Vorzugsweise müssen die Kontaktstellen auch nicht permanent beheizt werden. Selbst temporäres Heizen reicht aus, um die Kontaktstelle dauerhaft sauber zu halten. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist daher die Heizeinrichtung zur temporären Beheizung der Kontaktstellenbereiche ausgebildet.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Sensorelement kann daher ohne Änderung der Betriebsweise des Sensorelementes betrieben werden, d. h. die temporären Heizphasen zum Reinigen der Leiterbahnstruktur können gleichzeitig zum Reinigen der Kontaktstellen eingesetzt werden. Es bedarf daher in der Regel keiner gesonderten Heizphasen für die Kontaktstellen, obwohl dies natürlich grundsätzlich erfindungsgemäß möglich ist.
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Was die konstruktive Ausgestaltung der Heizeinrichtung anbetrifft, so ist diese vorzugsweise bei derartigen Sensorelementen in der Form eines Heizsubstrates ausgebildet, das sich insbesondere auf der Unterseite des Trägers befindet (eine Anordnung an der Oberseite oder an der Oberseite und Unterseite des Trägers ist ebenfalls möglich). Erfindungsgemäß ist dabei das Heizsubstrat so ausgebildet, dass es die Kontaktstellenbereiche mit abdeckt. Generell erstreckt sich die Heizeinrichtung vorzugsweise über die Kontaktstellenbereiche (auf der Unter- und/oder Oberseite), so dass ein entsprechendes Aufheizen der Kontaktstellenbereiche sichergestellt ist. Speziell ist daher das Heizsubstrat so lang ausgebildet, dass es das gesamte Messflächensubstrat und die entsprechenden Leiterbahnanschlüsse sowie die Kontaktstellenbereiche überdeckt.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Heizsubstrat nicht über die Kontaktstellenbereiche. Bei dieser Ausführungsform können die Kontaktstellenbereiche in ausreichender Weise beheizt werden, selbst wenn das Heizsubstrat die Kontaktstellenbereiche nicht direkt abdeckt. Auch hier ist natürlich keine Verkapselung der Kontaktstellenbereiche erforderlich.
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Die Heizeinrichtung kann auch in den Träger integriert sein. Auch hierfür treffen die vorstehend angeführten Ausführungsmöglichkeiten zu.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Sensorelementes des Standes der Technik;
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2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorelementes; und
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3 eine Seitenansicht des Sensorelementes der 2.
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Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 des Standes der Technik besitzt einen plattenförmigen Träger 2 aus einem geeigneten Material (Al2O3, Saphir, ZrO2 etc.), auf den mit Hilfe einer Dünnfilmtechnik (Sputtern, CVD etc.) ein Messflächensubstrat 3 aufgebracht ist, welches eine Leiterbahnstruktur 4 trägt, bei der es sich um eine Interdigitalelektrode (Kammelektrode) mit einzelnen kammförmig ineinandergreifenden Leiterbahnen aus Platin handelt. Es sind zwei entsprechende Leiterbahnanschlüsse 5 vorgesehen, die mit Hilfe einer Drahtbondverbindung mit zwei auf dem Träger befindlichen Leiterbahnen 6 verbunden sind, welche zu entsprechenden Anschlussstellen führen. Das Sensorelement 10 weist auf seiner Oberseite ein mit Dickfilmtechnik (Siebdruck) aufgebrachtes Substrat auf, das die Leiterbahnen 6 enthält. Über diese Anschlussstellen steht das Sensorelement 10 mit einer geeigneten Steuervorrichtung in Verbindung, beispielsweise einer solchen eines Kraftfahrzeuges. Die entsprechenden Kontaktstellen zwischen den Leiterbahnen 6 und den Leiterbahnanschlüssen 5 sind mit 7 gekennzeichnet.
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Auf der Unterseite des Trägers 2 befindet sich ein Heizsubstrat 8, dessen Größe etwa der des Messflächensubstrates 3 entspricht.
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Das hier dargestellte Sensorelement 10 stellt einen Teil eines Rußsensors dar, der zum Messen der Rußpartikelkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine dient. Hierbei ist das Messflächensubstrat 3 bzw. die Leiterbahnstruktur 4 oben offen und dem Abgasstrom ausgesetzt. Mit Hilfe des Heizsubstrates 8 wird die Leiterbahnstruktur beheizt, um periodisch darauf abgelagerte Rußpartikel zu verbrennen und auf diese Weise von der Leiterbahnstruktur zu entfernen.
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Da die Verbindungsstellen bzw. Kontaktstellen 7 zwischen den Leiterbahnen 6 des Trägers 2 und den Leiterbahnanschlüssen 5 der Leiterbahnstruktur 4 vor Verunreinigungen, mechanischen Beschädigungen, Kurzschlüssen etc. geschützt werden müssen, sind sie mit einer Verkapselung (Glob-top) 11 aus einem geeigneten Kunstharz (Epoxidharz) versehen, die nach der Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Leiterbahnen 6 und den Leiterbahnanschlüssen 5 auf die Kontaktstellenbereiche aufgebracht wird. Mit dieser Verkapslung gelingt es, den entsprechenden Verbindungsbereich sauber zu halten. Wie erwähnt, ist demgegenüber die Leiterbahnstruktur 4 oben offen und dem Gasstrom ausgesetzt.
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Das in 2 schematisch in der Draufsicht dargestellte erfindungsgemäß ausgebildete Sensorelement 1 weist eine derartige Verkapselung 11 nicht auf. Stattdessen sind hierbei die Kontaktstellen 7 bzw. die entsprechenden Kontaktbereiche nach oben offen ausgebildet und stehen mit dem Abgasstrom in Verbindung. Der nach oben offene Bereich erstreckt sich daher über die eigentliche Leiterbahnstruktur 4 hinaus in der 2 nach links bis über die Kontaktstellen 7 hinaus. Eine Verunreinigung der Kontaktstellenbereiche wird dadurch verhindert, dass das an der Unterseite des Trägers 2 angeordnete Heizsubstrat 8 länger ausgebildet ist als bei der Ausführung der 1 und sich bis in den Bereich der Leiterbahnen 6 des Trägers 2 hinein erstreckt. Durch Betätigung des Heizsubstrates wird daher nicht nur die Leiterbahnstruktur 4, sondern auch der Bereich der Leiterbahnanschlüsse 5, der Bereich der Kontaktstellen 7 und ein Teilbereich der Leiterbahnen 6 aufgeheizt, und zwar vorzugsweise über eine Temperatur von 450°C, die zur Selbstreinigung dieser Bauteile führt. Auf eine entsprechende Verkapselung kann daher verzichtet werden.
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3 zeigt eine Seitenansicht des Sensorselementes 1 der 2. Man erkennt das auf der Unterseite des Trägers 2 angeordnete Heizsubstrat 8, das sich bis in den Bereich der Leiterbahnen 6 hinein erstreckt und somit dafür sorgt, dass sich die Kontaktstellenbereiche auf einer „heißen Stelle” befinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006032741 A1 [0005]
