DE102012205584A1

DE102012205584A1 - Partikelsensor

Info

Publication number: DE102012205584A1
Application number: DE201210205584
Authority: DE
Inventors: Tino Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor (10), insbesondere einen Dieselpartikelsensor, mit einem Elektrodensystem umfassend wenigstens ein Elektrodenpaar, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode (14) einer ersten Elektrodenstruktur (16) und wenigstens eine Elektrode (18) einer zweiten Elektrodenstruktur (20) aufweist, wobei zwischen den Elektroden (14, 18) eines Elektrodenpaares eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist, wobei die erste Elektrodenstruktur (16) und die zweite Elektrodenstruktur (20) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (22) angeordnet sind, und wobei zwischen den Elektroden (14, 18) wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt. Mit einem derartigen Partikelsensor (10) kann effektiv eine Größenverteilung und eine Anzahl der in einem Gasstrom befindlichen elektrisch leitfähigen Partikel detektiert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von in einem Gasstrom angeordneten elektrisch leitfähigen Partikeln sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Partikelsensors (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordneten Dieselpartikelsensor.
Stand der Technik
Um krebserregende Emissionen von Verbrennungsmotoren und hier insbesondere von Dieselmotoren massiv einzudämmen, fordern diverse Gesetzgebungen bei der Neuzulassung von Kraftfahrzeugen die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte der Rußpartikelemission. Bisher werden die Emissionsgrenzwerte beispielsweise in emittierter Rußpartikelmasse pro gefahrener Strecke definiert. Dies kann insbesondere anhand des so genannten PM-Wertes, beispielsweise 10 mg/mi im derzeit gültigen LEVII-Standard, beziehungsweise 4,5 mg/km in der ab 2014 gültigen EU 6 Norm realisiert werden. Da die Rohemission von Dieselmotoren in der Regel deutlich über diesen Werten liegt, müssen die Fahrzeughersteller einen Rußpartikelfilter (DPF, Diesel Particulate Filter) als Abgas-Nachbehandlungskomponente installieren. Um zu gewährleisten, dass Fahrzeuge die Emissionsgrenzwerte nicht nur bei der Neuzulassung, sondern während der gesamten Zulassung einhalten, ist oftmals eine so genannte On-Board-Diagnose (OBD) für alle abgasnachbehandelnden Komponenten vorgesehen. Eine derartige Diagnosevorrichtung kann auch der Funktion beziehungsweise Überwachung eines Partikelfilters, wie insbesondere eines Dieselpartikelfilters, dienen. Dabei kann für die OBD-Überwachung des Dieselpartikelfilters ein Rußpartikelsensor verwendet werden.
Eine Möglichkeit hierzu bieten resistive Partikelsensoren, insbesondere resistive Rußpartikelsensoren. Resistive Partikelsensoren ziehen zur Detektion des Partikelausstoßes beispielsweise eine durch Partikelanlagerung hervorgerufene Widerstandsänderung eines Elektrodensystems mit zwei Elektroden, die auf einem keramischen Trägerelement angeordnet sind, heran. Aufgrund ihrer Funktionsweise ordnen sich resistive Partikelsensoren bei den sammelnden Prinzipien ein.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Partikelsensor, insbesondere Dieselpartikelsensor, mit einem Elektrodensystem umfassend wenigstens ein Elektrodenpaar, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode einer ersten Elektrodenstruktur und wenigstens eine Elektrode einer zweiten Elektrodenstruktur aufweist, wobei zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist, wobei die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind, und wobei zwischen den Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt.
Ein derartiger Partikelsensor ist somit insbesondere ein resistiver Partikelsensor und basiert somit auf dem Effekt, dass die zu detektieren Partikel, die insbesondere im Wesentlichen aus Kohlenstoff als Rußpartikel ausgebildet sein können, elektrisch leitfähig sein können. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei ausgenutzt, um die angelagerten Rußpartikel nachzuweisen. Hierzu umfasst der Partikelsensor ein Elektrodensystem umfassend wenigstens ein Elektrodenpaar, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode einer ersten Elektrodenstruktur und wenigstens eine Elektrode einer zweiten Elektrodenstruktur aufweist. Die Elektrodenstrukturen beziehungsweise die Elektroden der Elektrodenstrukturen sind dabei derart an eine Spanungsquelle angeschlossen beziehungsweise anschließbar, dass zwischen den komplementären Elektrodensystemen eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist. Ferner ist das Elektrodensystem auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet. Ein elektrisch isolierendes Substrat kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei ein an sich elektrisch isolierendes Substrat sein, oder auch ein Substrat mit einem Substratkörper, welcher an sich elektrisch leitfähig ist, jedoch mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Werden nun die auf dem Substrat angeordneten Elektrodenstrukturen einem Gasstrom ausgesetzt, der die zu detektieren Partikel umfasst, lagern sich Letztere an den Elektrodenstrukturen an. Dabei können angelagerte elektrisch leitfähige Partikel einen Stromfluss zwischen den Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstrukturen ermöglichen beziehungsweise den zwischen den Elektroden herrschenden Widerstand reduzieren. Dadurch wird es möglich, dass, wenn zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur ein elektrisches Potenzial aufgebaut ist, Kapazitätsmessungen, Strommessungen, Spannungsmessungen und/oder Widerstandsmessungen durchgeführt werden können. Durch insbesondere eine Veränderung des fließenden Stroms, der herrschenden Spannung beziehungsweise des herrschenden Widerstands über die Zeit können Aussagen über die Konzentration an elektrisch leitfähigen Partikeln in dem zu untersuchenden Gasstrom getroffen werden.
Ein derartiger Partikelsensor kann weiterhin ein Heizelement umfassen, welches unter anderem dafür geeignet ist, die Elektrodenstrukturen zu erhitzen, beispielsweise auf eine Temperatur von 600°C oder darüber und etwa für einen Zeitraum von exemplarisch 1 bis 5 Minuten. Dies kann vorteilhaft sein, da es sich bei einem derartigen Partikelsensor wie oben beschrieben um einen sammelnden Sensor handelt, der bei starker Belegung mit Rußpartikeln seine Empfindlichkeit verliert. Deshalb können die angelagerten Partikel vorteilhafterweise durch das Heizelement abgebrannt beziehungsweise von den Elektrodenstrukturen im Rahmen einer wiederkehrenden Regeneration entfernt werden.
Dadurch, dass zwischen den Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares, also zwischen Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstrukturen, ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt, ist ein derartiger Partikelsensor dazu geeignet, neben einer Ermittlung der Gesamtmenge beziehungsweise Gesamtanzahl an angelagerten Partikeln ferner die exakte Rußpartikelanzahl pro gefahrener Strecke zu ermitteln.
Im Detail kann somit ausgenutzt werden, dass Rußpartikel insbesondere aus der Emission von Verbrennungsmotoren eine Größe aufweisen können, die in einem Bereich von ≤ 200 nm, beispielsweise 20–130 nm, liegt. Dabei liegt oftmals ein Schwerpunkt der Verteilung bei etwa 80 nm vor, weshalb auch ein Abstand der Elektroden von ≤ 130 nm, insbesondere ≤ 80 nm, vorteilhaft sein kann.
Die Einzelelektroden beziehungsweise die Elektroden der jeweiligen Elektrodenpaare der Elektrodenstrukturen können derart zu zwei Gruppen miteinander verbunden sein, dass der Elektrodenabstand in einem Bereich liegt, der der kleinsten Größe der in dem zu vermessenden Gasstrom vorhandenen Partikeln liegt. Aufgrund des erfindungsgemäßen geringen Abstands der Elektroden der unterschiedlichen Elektrodenstrukturen, kann nicht nur eine über einen längeren Zeitraum angelagerte Menge beziehungsweise Gesamtmasse oder Gesamtanzahl von Partikel nachgewiesen werden, sondern jeder angelagerte Rußpartikel kann zu einem sprunghaften Anstieg des Stromsignals führen. Dies kann erfindungsgemäßen ausgenutzt werden, um einzelne Rußpartikel zu zählen. Eine Messung der Anzahl der sich anlagernden Partikel ist beispielsweise dann möglich, wenn die Elektrodenstrukturen jeweils mehrere in beispielsweise einem gleichen Abstand zueinander angeordnete Einzelelektroden beziehungsweise Elektrodenteile aufweist. Denn wenn beispielsweise kleine Partikel lediglich zwei Elektroden miteinander elektrisch verbinden und zu einem geringen Stromanstieg führt, verbinden größere Rußpartikel gegebenenfalls mehrere Elektroden miteinander, was zu einem größeren Stromanstieg führen kann. Daher kann neben der Anzahl der Rußpartikel auch deren Größenverteilung bestimmt werden.
Ein derartiger Partikelsensor kann sich deshalb besonders vorteilhaft für eine On-Board-Diagnose des Partikelfilters eignen. Dies ist durch bekannte Systeme gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, bei welchen die entsprechenden Abstände oftmals im Mikrometerbereich liegen.
Eine Bestimmung der Größenverteilung beziehungsweise der Größe der in dem Gasstrom enthaltenen Partikel kann insbesondere deshalb von Interesse sein, da die Rußpartikelanzahl beziehungsweise Rußpartikelgröße insbesondere zur Beschreibung der Gesundheitsgefährdung aussagekräftiger sein kann, als die Rußpartikelmasse der angelagerten Partikel. Denn eine gegebene Masse kann durch wenige Rußpartikel oder durch viele kleine Rußpartikel gebildet werden, wobei letztere Variante aufgrund der Lungengängigkeit kleiner Partikel die wesentlich höhere krebserregende Wirkung aufweist.
Durch den erfindungsgemäßen Partikelsensor kann es somit möglich werden, nicht nur die Masse der an dem Sensor angelagerten Partikel, und damit der in einem Abgasstrom sich befindenden Partikel, festzustellen und nachzuweisen. Vielmehr wird es erfindungsgemäßen möglich, auch die Größe beziehungsweise eine Größenverteilung der in dem Abgas befindlichen Partikel zu detektieren.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann zwischen den Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen sein, der in einem Bereich von ≤ 20 nm liegt. Derartige Abstände berücksichtigen in besonders vorteilhafter Weise, dass auch geringe Größen der insbesondere in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs auftretenden Partikel vorliegen können, die bis zu einem Bereich von 20 nm oder darunter liegen können. Somit kann in dieser Ausgestaltung in besonders vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass auch kleinste Partikel sicher und verlässlich nachweisbar und quantifizierbar sind.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein erstes Elektrodenpaar mit wenigstens einer Elektrode einer ersten Elektrodenstruktur und wenigstens einer Elektrode einer zweiten Elektrodenstruktur und wenigstens ein zweites Elektrodenpaar mit wenigstens zwei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstrukturen vorgesehen sein, wobei zwischen den Elektroden des ersten Elektrodenpaares ein Abstand A₁ vorgesehen ist und wobei zwischen den Elektroden des zweiten Elektrodenpaares ein Abstand A₂ vorgesehen ist, und wobei der Abstand A₁ größer oder kleiner ist als der Abstand A₂. In dieser Ausgestaltung können somit zwischen den Elektroden unterschiedlicher Elektrodenpaare unterschiedliche Abstände vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Abstandsverteilung vorgesehen sein, die in einem Bereich von ≥ 20 nm bis ≤ 130 nm liegen kann. In dieser Ausgestaltung kann dabei eine besonders genaue Ermittlung einer Größenverteilung der in dem zu vermessenden Gasstrom angeordneten elektrisch leitfähigen Partikel vorgenommen werden, da unterschieden werden kann, ob beispielsweise eine Überbrückung mehrerer Elektroden des Elektrodensystems durch angelagerte Partikel und damit einen Stromanstieg durch einen großen Partikel oder eine Mehrzahl an kleineren Partikeln hervorgerufen wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung bilden die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur ein Interdigitalelektrodensystem mit mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden aus. Interdigitale Kammelektroden bieten ein günstiges Messverhalten und können auf einfache Weise auf ein Substrat aufgebracht werden und so eine Widerstandsmessstruktur ausbilden. Interdigitale Kammelektroden werden auch als Interdigitalelektroden bezeichnet und weisen jeweils eine Struktur aus einer Mehrzahl von parallelen Elektrodenfingern auf, die parallel ineinander greifend angeordnet sind.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Partikelsensor in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Insbesondere für Kraftfahrzeuge ist der erfindungsgemäße Partikelsensor geeignet, um eine Sicherstellung der Wirksamkeit eines stromaufwärts des Partikelsensors angeordneten Partikelfilters zu überprüfen. Dabei kann insbesondere bei einer Anordnung im Abgasstrang des Kraftfahrzeugs eine besonders verlässliche Messung möglich sein. Das Kraftfahrzeug kann dabei insbesondere ein Dieselfahrzeug oder auch ein benzingetriebenes Fahrzeug sein.
Ferner kann der Partikelsensor unmittelbar in dem Abgasstrom positioniert sein oder auch in einem von dem Abgasstrom abzweigenden Teilstrom positioniert sein. Eine Positionierung unmittelbar in dem Abgasstrom kann den Vorteil haben, dass eine besonders genaue Messung möglich ist, da der Sensor unmittelbar mit dem zu untersuchenden Strom in Kontakt kommt. Eine Positionierung in einem von dem Abgasstrom abzweigenden Teilstrom dagegen kann den Partikelsensor insbesondere vor der Temperatur des meist heißen Abgasen des Kraftfahrzeugs schützen. Dadurch kann eine besonders große Langlebigkeit und damit eine kostengünstigere Arbeitsweise ermöglicht werden.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Partikelsensors wird hiermit explizit auf die Ausführungen in Bezug auf die erfindungsgemäßen Verfahren, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Substrat ein Elektrodensystem aufgebracht wird, wobei das Elektrodensystem wenigstens ein Elektrodenpaar umfasst, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode einer ersten Elektrodenstruktur und wenigstens eine Elektrode einer zweiten Elektrodenstruktur aufweist und wobei zwischen den Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt.
Ein derartiges Verfahren dient somit insbesondere dazu, einen erfindungsgemäßen Partikelsensor herzustellen. Dabei können die Elektrodenstrukturen derart auf ein elektrisch isolierendes Substrat aufgebracht werden, dass zwischen den Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt.
Dies kann insbesondere durch ein Elektronenstrahllithographie-Verfahren realisiert werden, durch welches auch derartig geringe Abstände problemlos erzielbar sein können. Unter einem Elektronenstrahllithographie-Verfahren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beispielsweise aus der Mikro- und Halbleitertechnik bekanntes Verfahren zur „Belichtung“ einer Elektronenstrahl-empfindlichen Schicht verstanden werden. Bei einem derartigen Verfahren kann durch eine „Belichtung“ der Elektronenstrahl-empfindlichen Schicht mit einem Elektronenstrahl diese Schicht lokal chemisch verändert werden, so dass sie anschließend beim Entwickeln lokal gelöst wird, wodurch eine strukturierte Resist-Schicht entsteht. Die Struktur kann anschließend auf eine Schicht aus einem anderen Material übertragen werden, etwa durch Ätzen einer darunterliegenden Schicht oder durch selektive Abscheidung eines Materials auf dem Resist. Folglich können die Elektroden in herkömmlicher Weise etwa durch chemische oder physikalische Abscheidung eines Metalls auf das Substrat beziehungsweise den Resist aufgebracht werden.
Im Detail kann ein geeignetes Resist ein kurzkettige oder auch langkettige Polymethylmethacrylate (PMMA, Sensitivität bei 100 keV ca. 0,8–0,9 C/cm²) umfassen. Dabei handelt es sich in der Regel um einen Einkomponentenresist. Demgegenüber gibt es ähnlich wie bei normalen Fotolacken auch Mehrkomponentenresiste, bei denen neben der elektronensensitiven Komponente beispielsweise Substanzen beigemischt werden, die für eine stärkere Vernetzung des Resists nach der Belichtung sorgen (sogenannte chemisch verstärkte Resiste). Als Entwickler kann eine Mischung aus MIBK (Methylisobutylketon) und Isopropylalkohol (IPA) im Verhältnis von ca. 1:3 oder auch reines IPA verwendet werden. Nach dem Entwickeln verbleibt der Resist auf dem Substrat, und dient als Maske zur Strukturierung der darunter befindlichen Schicht, welche die Interdigitalelektroden des Sensors bilden soll. Für die Interdigitalelektroden wird vorzugsweise eine metallische Schicht verwendet, beispielsweise Platin, Gold, Nickel, deren Strukturierung vorzugsweise in einem trockenchemischen Prozess stattfindet, etwa durch Ionenstrahlätzen oder Gasphasenätzen, gegebenenfalls mit Plasmaunterstützung. Die metallische Schicht hat dabei typischerweise eine Schichtdicke von ca. 10nm bis 500nm. Nach Strukturierung der metallischen Schicht wird der Resist entfernt, beispielsweise in einem Plasmaätzverfahren unter Nutzung von Sauerstoff als Ätzgas.
Weitere mögliche Verfahren, um derartige Elektrodenstrukturen zu erzeugen, umfassen weiterhin die Immersionslithographie, insbesondere in Kombination mit einer Mehrfachstrukturierung, wie insbesondere einem Doppelstrukturierungsverfahren (Double-Patterning Verfahren), wie etwa einem Doppelbelichtungsverfahren (Double Exposure-Verfahren) oder einem Doppelätzverfahren. Dabei kann beispielsweise eine sogenannte DUV (deep ultraviolett)-Strahlungsquelle, insbesondere emittierend Wellenlängen von ≤ 200 nm, vorzugsweise ≤ 20 nm, verwendet werden, wie etwa ein Titan-Saphir-Laser. Die Immersionslithographie ist grundsätzlich ein Verfahren, welches im Wesentlichen der Projektionsbelichtung entsprechen kann. Jedoch liegt bei der Belichtung zwischen Projektionslinse und Fotolack nicht Luft, sondern ein flüssiges Medium. Die Immersionsflüssigkeit kann zum Beispiel Reinstwasser sein. Deren im Vergleich zu Luft höherer Brechungsindex vergrößert die numerische Apertur des Abbildungssystems. Dies erlaubt es, kleinere Strukturen zu erzeugen. Bei einem Double-Exposure-Verfahren, beispielsweise wird nach einer ersten Belichtung die Struktur der Fotomaske auf eine darunterliegende Hartmaskenschicht übertragen und anschließend die Fotolackmaske entfernt. Danach wird eine weitere Fotolackschicht auf das Substrat aufgebracht und wiederum belichtet, wobei weitere Strukturen zwischen den Strukturen in der Hartmaske erzeugt werden. So entsteht ein Muster, das sich aus den Strukturen der neuen Fotolackschicht und der Hartmaske zusammensetzt und durch einen anschließenden anisotropen Ätzprozess in die darunterliegende Zielschicht übertragen werden kann. Dies ermöglicht theoretisch eine Verdoppelung der Strukturdichte.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Ausführungen in Bezug auf das weitere erfindungsgemäße Verfahren, den erfindungsgemäßen Partikelsensor, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Detektion von in einem Gasstrom angeordneten elektrisch leitfähigen Partikeln mit einem erfindungsgemäßen Partikelsensor, bei dem

– die Elektrodenstrukturen dem zu vermessenden Gasstrom ausgesetzt werden,
– an die Elektrodenpaare eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich elektrisch leitfähige Partikel an die Elektrodenstrukturen anlagern, wobei
– die aus der Partikelanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares, insbesondere an jedem Elektrodenpaar einzeln, gemessen wird.

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom mit einem wie vorgeschrieben ausgestalteten Partikelsensor kann somit an die Elektrodenpaare eine Spannung angelegt werden, insbesondere durch eine an sich bekannte Spannungsquelle, so dass zwischen den Elektroden der unterschiedlichen Elektrodenstrukturen beziehungsweise eines Elektrodenpaares eine elektrische Potenzialdifferenz auftritt. Dadurch können sich, wenn der Partikelsensor mit einem elektrisch leitfähige Partikel aufweisenden Gasstrom in Kontakt kommt, die Partikel an dem Partikelsensor beziehungsweise an den Elektrodenstrukturen anlagern. Dadurch, dass die angelagerten Partikel elektrisch leitfähig sind, wird sich der Widerstand zwischen den einzelnen Elektroden beziehungsweise der zwischen den einzelnen Elektroden fließende Strom verändern. Eine derartige Veränderung des Stroms, des Widerstands, oder auch der damit zusammenhängenden Spannung, wie auch der Kapazität kann insbesondere zwischen den beiden Elektroden eines jeden Elektrodenpaares einzeln gemessen werden. Eine derartige Messung liefert eine genaue und verlässliche Möglichkeit, um auf die angelagerten Partikel schließen zu können. Je nach Messverfahren beziehungsweise je nach der gewünschten Strom- Spannungs- und/oder Kapazitätsmessungen können geeignete, dem Fachmann an sich bekannte Verschaltungen des Partikelsensors beziehungsweise der Elektrodenstrukturen mit der Spannungsquelle und/oder der Messvorrichtung realisiert sein.
Beispielsweise kann dabei eine Steuereinheit Verwendung finden, welche einen Warnhinweis, wie etwa über das Aufleuchten einer Warnlampe, auslösen kann, wenn die Rußemissionen oder die Zusammensetzung der Rußpartikel, wie insbesondere der unterschiedlichen Rußpartikelgrößen, in einen kritischen Wert fällt.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann eine Größenverteilung der detektierten Partikel und/oder die Partikelkonzentration und/oder der Partikelmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes eines oder mehrerer der jeweiligen Elektrodenpaare bestimmt werden. Eine derartige Bestimmung der Größe beziehungsweise einer Größenverteilung der detektierten Partikeln kann insbesondere durch das Vorsehen eines erfindungsgemäßen geringen Abstands zwischen den Elektroden der unterschiedlichen Elektrodenstrukturen möglich sein. Im Detail können bereits Partikel mit einer sehr geringen Größe sicher und verlässlich einzeln nachweisbar sein. Dabei kann die Detektionsgenauigkeit insbesondere von dem Elektrodenabstand abhängig sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Partikelsensor während einer Messung auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb des Taupunktes von Wasser liegt. Dadurch kann es möglich werden, den Einfluss von Nebenschlüssen oder anderen negativen Einflüssen von Feuchtigkeit zwischen den Elektroden zu eliminieren. Dazu kann beispielsweise eine Heizvorrichtung vorgesehen sein den Sensor im Netzbetrieb erhitzt.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Ausführungen in Bezug auf das weitere erfindungsgemäße Verfahren, den erfindungsgemäßen Partikelsensor, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände 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 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors mit angelagerten Partikeln unterschiedlicher Größe in Draufsicht;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors in Seitenansicht; und
3 eine Darstellung zeigend eine schematische Auswertung der Detektionsergebnisse eines erfindungsgemäßen Partikelsensors.
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 10 gezeigt. Der Partikelsensor 10 kann insbesondere in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann der Partikelsensor 10 unmittelbar in dem Abgasstrang angeordnet sein oder in einem von dem Abgasstrang abzweigenden Teilstrom positioniert sein. Der Partikelsensor 10 dient insbesondere dazu, die Menge beziehungsweise Anzahl von in einem Gasstrom angeordneten Partikeln, insbesondere elektrisch leitfähigen Partikeln, zu detektieren.
Grundsätzlich kann ein derartiger Partikelsensor 10 Verwendung finden in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
Der Partikelsensor 10 umfasst ein Elektrodensystem 12 mit wenigstens einem Elektrodenpaar, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode 14 einer ersten Elektrodenstruktur 16 und wenigstens eine Elektrode 18 einer zweiten Elektrodenstruktur 20 aufweist. Zwischen den Elektroden 14, 18 wenigstens eines Elektrodenpaares ist ein Abstand vorgesehen, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt. Besonders bevorzugt kann zwischen den Elektroden 14, 18 wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 20 nm liegen kann.
Dabei sind die erste Elektrodenstruktur 16 und die zweite Elektrodenstruktur 20 auf einem elektrisch isolierenden Substrat 22, wie insbesondere einem Keramiksubstrat, oder einem anderen elektrisch isolierenden Substrat 22, angeordnet. 1 zeigt weiterhin, dass die erste Elektrodenstruktur 16 und die zweite Elektrodenstruktur 20 ein Interdigitalelektrodensystem mit mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden ausbilden kann.
In 2 ist eine weitere Darstellung eines Teilbereichs derartigen Partikelsensors 10 gezeigt. In 2 ist das Substrat 22 mit darauf aufgebrachtem Elektrodensystem 12 gezeigt. Das Elektrodensystem 12 kann auf dem Substrat 22 beispielsweise durch Nutzung eines elektronenstrahllithographischen Verfahrens und/oder durch Elektronenstrahllithographie oder Immersionslithographie, insbesondere in Kombination mit einer Mehrfachstrukturierung, hergestellt werden.
Bei einem derartigen Partikelsensor 10 kann ferner neben dem wenigstens einen ersten Elektrodenpaar mit wenigstens der Elektrode 14 der ersten Elektrodenstruktur 16 und wenigstens der Elektrode 18 der zweiten Elektrodenstruktur 20 wenigstens ein zweites Elektrodenpaar mit wenigstens einer ersten Elektrode 32 und einer zweiten Elektrode 34 unterschiedlicher Elektrodenstrukturen vorgesehen sein. Dabei kann zwischen den Elektroden 14, 18 des ersten Elektrodenpaares ein Abstand A₁ vorgesehen sein und kann zwischen den Elektroden 32, 34 des zweiten Elektrodenpaares ein Abstand A₂ vorgesehen sein. Dabei können die Abstände A₁, A₂ gleich sein, wie dies in 2 gezeigt ist, oder der Abstand A₁ kann größer oder kleiner sein als der Abstand A₂.
Zurückkommend zu 1 weisen die Elektrodenstrukturen 16, 18 jeweils einen elektrischen Anschluss 24, 26 auf. Mithilfe des elektrischen Anschlusses 24, 26 kann an die Elektrodenstrukturen 16, 20 beziehungsweise an die unterschiedlichen Elektroden 14, 18 eines Elektrodenpaares eine Spannung zur Erzeugung einer elektrischen Potenzialdifferenz angelegt werden. Hierzu kann eine Spannungsquelle 28, die dem Fachmann an sich bekannt ist, vorgesehen sein, welche mit den Anschlüssen 24, 26 zum Erzeugen einer Potentialdifferenz verbunden ist. Weiterhin kann eine Messvorrichtung 30, wie insbesondere eine Strom-, Widerstands- und/oder Spannungsmessvorrichtung vorgesehen sein.
Im Grundzustand fließt aufgrund des Abstands der Elektroden 14, 18; 32, 34 untereinander und der Anordnung auf einem elektrisch isolierenden Substrat 22 zwischen den Elektroden 14, 18; 32, 34 unterschiedlicher Elektrodenstrukturen 16, 20 kein Strom. Wenn die Elektrodenstrukturen 16, 20 jedoch einem Gasstrom ausgesetzt werden, lagern sich elektrisch leitfähige Partikel an den Elektrodenstrukturen 16, 20 an. Dies ist in 1 schematisch dargestellt.
1 zeigt schematisch verschiedene elektrisch leitfähige Partikel mit einer unterschiedlichen Größe beziehungsweise mit einem unterschiedlichen Durchmesser, die an dem Partikelsensor 10 beziehungsweise an den Elektrodenstrukturen 16, 20 angelagert sind, wobei die Größe nur schematisch und rein beispielhaft gezeigt sein soll. Dabei weist das mit a bezeichnete Partikel eine Größe von 20 nm auf, dass mit b bezeichnete Partikel weist eine Größe von 40 nm auf, das mit c bezeichnete Partikel weist eine Größe von 60 nm auf, dass mit d bezeichnete Partikel erreicht eine Größe in einem Bereich von 80 nm, dass mit e bezeichnete Partikel weist eine Größe in einem Bereich von 100 nm auf und das mit f bezeichnete Partikel weist eine Größe in einem Bereich von 120 nm auf. Es ist dabei zu erkennen, dass das Partikel a lediglich zwei Elektroden miteinander verbindet. Dagegen verbindet beispielsweise schon das nächstgrößere Partikel b drei Elektroden miteinander. Die Anzahl der miteinander durch Anlagerung der Partikel verbundenen Elektroden vergrößert sich sukzessive in Abhängigkeit der Größe des Partikels. Beispielsweise verbindet das Partikel mit einer Größe von 120 nm (Partikel f) bereits sechs Elektroden miteinander, wenn die Elektroden beispielsweise einen Abstand von 20 nm zueinander aufweisen. In Abhängigkeit der miteinander verbundenen Elektroden und damit der Größe der Partikel ist beispielsweise ein Sprung des gemessenen Stroms ermittelbar. Dies ist in der 3 schematisch dargestellt.
Im Detail zeigt 3 ein Verfahren zur Detektion von in einem Gasstrom angeordneten elektrisch leitfähigen Partikeln. Dabei werden die Elektrodenstrukturen 16, 20 dem zu untersuchenden Gasstrom ausgesetzt. Ferner wird an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems 16, 20 eine Spannung angelegt oder an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems 16, 20 werden jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt. Dabei lagern sich die elektrisch leitfähigen Partikel an die Elektrodenstrukturen 16, 20 an.
Bei einem derartigen Verfahren kann nun die aus der Partikelanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden 14, 18; 32, 34 eines Elektrodenpaares, insbesondere an jedem Elektrodenpaar, gemessen werden, beispielsweise mit variierender Spannung. Dabei können insbesondere eine Größenverteilung der detektierten Partikel und/oder die Partikelkonzentration und/oder der Teilchenmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elektrodenpaare bestimmt wird.
3 zeigt dabei, dass das angelagerte Partikel a einen verhältnismäßig geringen Stromanstieg I₀ bewirkt der, wie oben beschrieben, durch eine Überbrückung zweier Elektroden verursacht wird. Werden dagegen schon drei Elektroden miteinander verbunden (Partikel b), ist der Stromanstieg im Bereich des doppelten (2I₀). Die Vergrößerung des Stromanstiegs steigt dabei im Verhältnis zu der Größe der angelagerten Partikel und damit der Anzahl der miteinander verbundenen beziehungsweise überbrückten Elektroden an (a→f). Dadurch ist durch die Höhe des Stromanstiegs, wie auch Variation der Spannung beziehungsweise des Widerstands, ein unmittelbarer Rückschluss auf die Größe der angelagerten Partikel und damit auf die in dem Gasstrom enthaltenen Partikelgrößenverteilung möglich. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein zur Detektion von Rußpartikeln aus der Emission von Verbrennungsmotoren welche eine Größe von etwa ≤ 200nm, beispielsweise ≥ 20 nm bis ≤ 130 nm mit einem Schwerpunkt der Verteilung bei etwa 80 nm aufweisen.
Wird beispielsweise von einem spezifischen Widerstand von Rußpfaden von ungefähr 3^x10¹² Ohm/m ausgegangen, erhält man bei 12 V angelegter Spannung einen Strom von I₀~0.2 mA bei einem Rußpartikel von 20 nm Durchmesser.
Vorteilhafterweise kann der Partikelsensor 10 beziehungsweise können die Elektrodenstrukturen 16, 20 dabei auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb des Taupunktes von Wasser liegt, wodurch ein besonders genaues Messverfahren möglich sein kann.

Claims

Partikelsensor, insbesondere Dieselpartikelsensor, mit einem Elektrodensystem umfassend wenigstens ein Elektrodenpaar, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode (14) einer ersten Elektrodenstruktur (16) und wenigstens eine Elektrode (18) einer zweiten Elektrodenstruktur (20) aufweist, wobei zwischen den Elektroden (14, 18) eines Elektrodenpaares eine elektrische Potentialdifferenz erzeugbar ist, wobei die erste Elektrodenstruktur (16) und die zweite Elektrodenstruktur (20) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (22) angeordnet sind, und wobei zwischen den Elektroden (14, 18) wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt.
Partikelsensor nach Anspruch 1, wobei zwischen den Elektroden (14, 18) wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 20 nm liegt.
Partikelsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein erstes Elektrodenpaar mit wenigstens einer Elektrode (14) einer ersten Elektrodenstruktur (16) und wenigstens einer Elektrode (18) einer zweiten Elektrodenstruktur (20) und wenigstens ein zweites Elektrodenpaar mit wenigstens zwei Elektroden (32, 34) unterschiedlicher Elektrodenstrukturen (16, 20) vorgesehen sind, wobei zwischen den Elektroden (14, 18) des ersten Elektrodenpaares ein Abstand A₁ vorgesehen ist und wobei zwischen den Elektroden (32, 34) des zweiten Elektrodenpaares ein Abstand A₂ vorgesehen ist, und wobei der Abstand A₁ größer oder kleiner ist als der Abstand A₂.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Elektrodenstruktur (16) und die zweite Elektrodenstruktur (20) ein Interdigitalelektrodensystem mit mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden ausbilden.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Partikelsensor (10) in dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Partikelsensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Substrat (22) ein Elektrodensystem (12) aufgebracht wird, wobei das Elektrodensystem (12) wenigstens ein Elektrodenpaar umfasst, wobei das Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode (14) einer ersten Elektrodenstruktur (16) und wenigstens eine Elektrode (18) einer zweiten Elektrodenstruktur (20) aufweist und wobei zwischen den Elektroden (14, 18) wenigstens eines Elektrodenpaares ein Abstand vorgesehen ist, der in einem Bereich von ≤ 200 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Elektrodensystem (12) durch Elektronenstrahllithographie oder Immersionslithographie, insbesondere in Kombination mit einer Mehrfachstrukturierung, aufgebracht wird.
Verfahren zur Detektion von in einem Gasstrom angeordneten elektrisch leitfähigen Partikeln mit einem Partikelsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem – die Elektrodenstrukturen (16, 20) dem zu vermessenden Gasstrom ausgesetzt werden, – an die Elektrodenpaare eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich elektrisch leitfähige Partikel an die Elektrodenstrukturen anlagern, wobei – die aus der Partikelanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden (14, 18) eines Elektrodenpaares, insbesondere an jedem Elektrodenpaar einzeln, gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Größenverteilung der detektierten Partikel und/oder die Partikelkonzentration und/oder der Partikelmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes eines oder mehrerer der jeweiligen Elektrodenpaare bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Partikelsensor (10) während einer Messung auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb des Taupunktes von Wasser liegt.
Verwendung eines Partikelsensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.