DE102013110291A1

DE102013110291A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors mit einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE102013110291A1
Application number: DE102013110291.3A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Wienand; Matsvei ZINKEVICH; Dieter Teusch
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US20160017830A1; JP6498130B2; CN105074421A; JP2016510173A; EP2965061A1; KR20160006163A; US10107221B2; WO2014135450A1; CN105074421B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors, umfassend die Verfahrensschritte Aufbringen einer zusammenhängenden metallischen Schicht (68) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (1, 20, 60); Strukturieren der metallischen Beschichtung (68) mit einem Laserstrahl durch Verdampfen von Bereichen der metallischen Schicht (68), wobei zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) erzeugt werden und die elektrisch leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) mit dem Laserstrahl derart räumlich voneinander getrennt und elektrisch voneinander isoliert werden, dass die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) bezogen auf ihre Gesamtlänge im Wesentlichen nebeneinander und in diesem Bereich dicht nebeneinander verlaufen. Die Erfindung betrifft auch einen Rußsensor hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Rußsensor ein elektrisch isolierendes Substrat (1, 20, 60) und wenigstens zwei voneinander räumlich getrennte und ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) als strukturierte metallische Schichten aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen den leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) mit einem Laser freigebrannt ist, bevorzugt der Zwischenraum zumindest bereichsweise kleiner als 50 µm ist und die Heizwendeln mit verbreiterten Leitungsschichten (14) kontaktiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors sowie einen Rußsensor hergestellt mit einem solchen Verfahren.
Rußsensoren dienen dazu, den Verbrennungsvorgang von Motoren, insbesondere von Dieselmotoren und von Öl-Heizungen zu steuern beziehungsweise zu regeln. In Abhängigkeit von der Menge der Rußpartikel kann die Verbrennung derart gesteuert werden, dass weniger Rußpartikel auftreten und/oder eine effizientere Verbrennung erfolgt.
Die DE 10 2007 038 680 A1 offenbart einen Rußsensor, bei dem eine Leiterbahnstruktur auf einer glatten Al₂O₃-Oberfläche aufgebracht wird. Dadurch wird die Adsorption von Rußpartikeln erleichtert.
Aus der WO 2011/106625 A1 ist ein Rußsensor bekannt, der mit einem Heizelement und einem Sensorelement auf einem Substrat aufgebaut ist. Wenn sich Rußpartikel auf der Oberfläche des Rußsensors niederschlagen, ändert sich der elektrische Widerstand zwischen dem Heizelement und dem Sensorelement. Dadurch kann die Konzentration an Rußpartikeln auf der Oberfläche und dadurch im Abgasstrom bestimmt werden. Zum Freibrennen des Sensors wird das Heizelement auf eine ausreichend hohe Temperatur geheizt.
Zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs können auch weitere Sensoren, wie beispielsweise Lambda-Sonden oder Temperatursensoren zum Einsatz kommen. An Rußsensoren zur Steuerung von Diesel-Motoren werden immer höhere Anforderungen bezüglich der Reduzierung des Rußausstoßes gestellt. So fordert die sogenannte EU6-Richtlinie von mit Dieselmotoren angetriebenen Fahrzeugen nur sehr geringe Rußmengen auszustoßen. Solche geringen Rußmengen sind mit den bekannten Rußsensoren aufgrund der wenigen Rußpartikel, das heißt aufgrund der sehr geringen Rußpartikelkonzentration im Abgasstrom nur sehr schwer zu detektieren.
Nachteilig ist also an den bekannten Rußsensoren, dass die Rußsensoren nicht empfindlich genug reagieren, um die immer strenger werdenden Anforderungen erfüllen zu können. Zudem ist nachteilig an den bekannten Sensoren, dass eine Vielzahl von Sensoren in den Abgasstrom eingebracht werden muss, wodurch eine Vielzahl von Anschlüssen notwendig ist. Gleichzeitig besteht aber immer der Wunsch nach einer möglichst einfachen und kostengünstigen Fertigung der Motoren beziehungsweise der Verbrennungsanlagen. Auch die Sensoren selbst sollen möglichst kostengünstig sein. Ferner sollen die Sensoren robust und fehlerunanfällig beim Einbau in das Abgassystem sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Sensor bereitgestellt werden, der empfindlich genug reagiert, um auch geringe Rußmengen zu detektieren, der aber gleichzeitig eine Vereinfachung bestehender Sensoren darstellt. Der Sensor soll kompakt, robust beim Einbau und kostengünstig in der Herstellung sein. Weitere nicht genannte Nachteile ergeben sich ohne weiteres aus dem Gesamtkontext der vorliegenden Erfindung.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors, umfassend die Verfahrensschritte:
Aufbringen einer zusammenhängenden metallischen Schicht auf einem elektrisch isolierenden Substrat;
Strukturieren der metallischen Beschichtung mit einem Laserstrahl durch Verdampfen von Bereichen der metallischen Schicht, wobei zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt werden und die leitfähigen Strukturen mit dem Laserstrahl derart räumlich voneinander getrennt und elektrisch voneinander isoliert werden, dass die leitfähigen Strukturen bezogen auf ihre Gesamtlänge im Wesentlichen nebeneinander und in diesem Bereich dicht nebeneinander verlaufen.
Unter den zumindest zwei ineinander verschachtelten zusammenhängenden leitfähigen Strukturen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr separate aber jeweils in sich zusammenhängende leitfähige, insbesondere metallische Schichten zu verstehen, die derart geformt sind, dass sie über einen großen Bereich der Strukturen dicht nebeneinander verlaufen.
Unter verschachtelt im Sinne dieser Patentanmeldung ist zu verstehen, dass zumindest zwei Strukturen so angeordnet sind, dass die eine Struktur parallel, senkrecht und/oder mit einem Winkel zu der anderen Struktur angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die eine Struktur in einer beliebigen Freiform, beispielsweise in einer Kurvenform, in einer Ellipsenform oder dergleichen, zu der anderen Struktur angeordnet ist. Es ist dabei möglich, dass zumindest ein Teilbereich oder gesamter Bereich der jeweiligen Struktur derart angeordnet ist. Es ist des Weiteren möglich, die Strukturen flächig, das heißt in einer Ebene, oder räumlich, das heißt in drei Dimensionen, zueinander gemäß vorhergehenden Ausführungen anzuordnen. Beispielsweise ist es möglich, zwei Strukturen so verschachtelt zueinander in einer Ebene anzuordnen, dass diese wie in einem Zahnrad verzahnt zueinander angeordnet sind, wobei diese dabei jedoch mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, insbesondere mit einem Abstand kleiner als 50 µm, vorzugsweise kleiner 30 µm, angeordnet sind.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass die zusammenhängende metallische Schicht auf dem elektrisch isolierenden Substrat mit einem Dickschicht-Verfahren aufgebracht wird. Bevorzugt wird eine Edelmetalldickschicht besonders bevorzugt eine Platin-Dickschicht aufgebracht.
Der Abstand zwischen den leitfähigen Strukturen wird erfindungsgemäß bevorzugt mit weniger als 50 µm ausgeführt, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 30 µm. Unter dicht nebeneinander sind also weniger als 80 µm, bevorzugt weniger als 50 µm zu verstehen.
Bei erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass die metallische Schicht vorstrukturiert auf das elektrisch isolierende Substrat aufgebracht wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zumindest die verbreiterten Leitungsschichten zur elektrischen Kontaktierung der leitfähigen Strukturen vorstrukturiert werden. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die gesamten Zuleitungen zu den leitfähigen Strukturen vorstrukturiert werden.
Die Herstellung des Rußsensors wird vereinfacht, wenn nur die schmalen trennenden Bereiche zwischen den leitfähigen Strukturen mit dem Laserstrahl verdampft werden und die gröberen Strukturen direkt beim Auftragen, zum Beispiel beim Aufdrucken erzeugt werden.
Mit einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Laserstrahl in einer Linie, bevorzugt in einer mäanderförmigen Linie, entlang der Beabstandung der zu erzeugenden leitfähigen Strukturen über die metallische Schicht gefahren wird und dabei die metallische Schicht entlang dieser Linie verdampft. Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen den fertig strukturierten leitfähigen Strukturen dem Durchmesser des Wirkungsquerschnitts des Brennflecks des Laserstrahls entspricht.
Durch dieses Verfahren wird der Abstand zwischen den leitfähigen Strukturen möglichst gering gehalten. Gleichzeitig kann der Laserstrahl, beziehungsweise der Brennfleck des Laserstrahls sehr schnell und ohne großen Aufwand über die Metallschicht gefahren werden, um die Trennung der metallischen Schicht zu zwei leitfähigen Strukturen zu erzeugen. Dadurch wird die Herstellung einfacher und kostengünstiger.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die leitfähigen Strukturen entlang zumindest 90% ihrer Gesamtlänge nebeneinander verlaufen, bevorzugt entlang zumindest 98% ihrer Gesamtlänge nebeneinander verlaufen.
Darunter, dass die leitfähigen Strukturen bezogen auf ihre Gesamtlänge im Wesentlichen nebeneinander und in diesem Bereich dicht nebeneinander verlaufen ist also zu verstehen, dass die leitfähigen Strukturen entlang zumindest 90% ihrer Gesamtlänge nebeneinander und in diesem Bereich dicht, also bevorzugt weniger als 50 µm nebeneinander verlaufen
Je größer die parallel verlaufenden Anteile der leitfähigen Strukturen sind, desto empfindlicher ist der Rußsensor bei einer Widerstandsmessung oder bei einer kapazitiven Messung oder einer Messung des elektrischen Isolationsverlusts zwischen den beiden leitfähigen Strukturen zur Bestimmung der Rußpartikelkonzentration in dem Gasstrom.
Mit einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass als elektrisch isolierendes Substrat ein Metalloxid-Substrat oder ein Glassubstrat oder ein Glaskeramiksubstrat verwendet wird, bevorzugt ein keramisches Al₂O₃-Substrat oder eine Glas-, Glaskeramik- oder Al₂O₃-Schicht.
Diese Materialien eignen sich besonders gut zum Aufbau eines Rußsensors, der in der heißen und chemisch aggressiven Umgebung eines Abgasstroms eingesetzt werden soll. Zudem können auf diesen Schichten aufgebrachte metallische Schichten besonders gut mit dem Laserstrahl freigebrannt werden, ohne dass weitere Schäden durch den Laserstrahl auftreten.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass auf der, der metallischen Beschichtung oder des Rußsensors gegenüberliegenden Seite des elektrisch isolierenden Substrats oder neben den leitfähigen Strukturen auf dem elektrisch isolierenden Substrat ein Temperatursensor angeordnet wird.
Die Kombination des Rußsensors mit einem weiteren Sensor bewirkt, dass beim Einbau in ein Abgassystem nur ein Anschluss für beide Sensoren vorgesehen sein muss. Zudem misst der Temperatursensor die Temperatur an dem Ort, an dem auch die leitfähigen Strukturen sind. Dadurch kann eine genauere Bestimmung des Zustands des Rußsensors bei der Messung und beim Freibrennen des Rußsensors erreicht werden. Ferner kann die Temperatur des Abgases und die Rußpartikelkonzentration einzeln aber auch gleichzeitig ermittelt werden.
Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass nach der Strukturierung der leitfähigen Strukturen die Zuleitungen der leitfähigen Strukturen vollständig und bevorzugt die leitfähigen Strukturen bereichsweise mit einer isolierenden Schicht aus einem Metalloxid, Glas oder einer Glaskeramik beschichtet wird und bevorzugt der Temperatursensor auf der isolierenden Schicht befestigt wird, besonders bevorzugt mittels Glaslot befestigt wird.
Durch das Auftragen der isolierenden Schicht als Schutzschicht, sind die metallischen Bereiche des Rußsensors geschützt, die nicht zwingend der chemisch aggressiven Umgebung des Abgasstroms ausgesetzt werden müssen. Diese Schicht kann auch ideal zur Befestigung des zusätzlichen Temperatursensors zur Bildung eines Kombinationssensors verwendet werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass zuerst ein Temperatursensor auf einem Keramiksubstrat erzeugt wird, bevorzugt in Dünnschichttechnik, anschließend das elektrisch isolierende Substrat als Schicht auf den Temperatursensor aufgebracht wird und anschließend die zusammenhängende metallische Schicht zum Erzeugen der leitfähigen Strukturen auf dem elektrisch isolierenden Substrat aufgetragen wird, wobei bevorzugt eine Schicht aus Al₂O₃ oder Glas oder Glaskeramik als elektrisch isolierendes Substrat auf dem Temperatursensor aufgebracht wird.
Durch dieses Herstellungsverfahren wird ein Rußsensor mit einem Temperatursensor erzeugt, bei dem Komponenten des Temperatursensors, vorzugsweise Komponenten aus zumindest einem Metall oder einer Metalllegierung, durch das Keramiksubstrat und durch das elektrisch isolierende Substrat, auf dem die leitfähigen Strukturen angeordnet sind, sandwichartig vor dem Umgebung geschützt sind. Dadurch ist es möglich, die zur Herstellung des Temperatursensors verwendeten Metalle in Dünnschichttechnik aufzutragen, ohne dass die Haltbarkeit des Sensors beeinträchtigt ist.
Mit einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Schichtstruktur an einem Anschluss befestigt wird, wobei die leitfähigen Strukturen und bevorzugt auch der Temperatursensor elektrisch mit Kontaktelementen des Anschlusses kontaktiert werden.
Durch den Anschluss und die Kontaktierung kann der Rußsensor besonders leicht verbaut werden.
Mit einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als leitfähige Strukturen ineinander verschachtelte Heizwendeln oder Elektroden geformt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch gelöst durch einen Rußsensor hergestellt mit einem solchen Verfahren, bei dem der Rußsensor ein elektrisch isolierendes Substrat und wenigstens zwei voneinander räumlich getrennte und ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen als strukturierte metallische Schichten aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen den leitfähigen Strukturen mit einem Laser freigebrannt ist, bevorzugt der Zwischenraum zumindest bereichsweise kleiner als 50 µm ist und die leitfähigen Strukturen mit verbreiterten Leitungsschichten kontaktiert sind.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest die verbreiterten Leitungsschichten mit einer isolierenden Schicht bedeckt sind, bevorzugt die an die verbreiterten Leitungsschichten angrenzenden Bereiche der leitfähigen Strukturen mit einer isolierenden Schicht bedeckt sind.
Durch das Auftragen der isolierenden Schicht als Schutzschicht, sind die metallischen Bereiche des Rußsensors geschützt, die nicht zwingend der chemisch aggressiven Umgebung des Abgasstroms ausgesetzt werden müssen. Diese Schicht kann auch ideal zur Befestigung des zusätzlichen Temperatursensors zur Bildung eines Kombinationssensors verwendet werden.
Auch kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rußsensor einen Anschluss und einen Temperatursensor aufweist, wobei die leitfähigen Strukturen als strukturierte metallische Schicht auf dem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind und mit einer isolierenden Schicht bereichsweise abgedeckt sind, wobei der Temperatursensor als strukturierte metallische Schicht auf der isolierenden Schicht angeordnet ist oder die leitfähigen Strukturen und der Temperatursensor auf dem gleichen elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind, wobei der Temperatursensor und die leitfähigen Strukturen elektrisch und mechanisch mit dem Anschluss verbunden sind.
Der so aufgebaute Rußsensor beziehungsweise Kombinationssensor hat die zu den erfindungsgemäßen Verfahren bereits genannten Vorteile.
Mit einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass das elektrisch isolierende Substrat ein keramisches Metalloxid-Substrat ist, insbesondere aufweisend Al₂O₃, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid und/oder SiO₂, bevorzugt ein keramisches Al₂O₃-Substrat ist.
Diese Materialien sind thermisch und mechanisch stabil und eignen sich aufgrund Ihrer Isolationswirkung gut zum Aufbau von erfindungsgemäßen Rußsensoren.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die leitfähigen Strukturen mit einem Laser strukturierte Edelmetall-Dickschichten sind, bevorzugt Platin-Dickschichten sind und/oder die leitfähigen Strukturen einen elektrischen Widerstand von mindestens 1 Ohm und höchstens 10 Ohm bei 0° C haben.
Diese Dickschicht beziehungsweise diese Widerstände eignen sich zum Ausheizen des Rußsensors beziehungsweise zum Abbrennen von Rußpartikeln ebenso, wie zum Messen des elektrischen Widerstands zwischen den leitfähigen Strukturen.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die leitfähigen Strukturen ineinander verschachtelte Heizwendeln oder Elektroden sind.
Der Rußsensor kann erfindungsgemäß bevorzugt mit zwei ineinander verschachtelten zusammenhängenden leitfähigen Strukturen aufgebaut werden. Da die Zwischenräume zwischen den leitfähigen Strukturen mit einem Laser geschnitten werden, können die Abstände der leitfähigen Strukturen besonders gering ausgestaltet sein, wodurch die Empfindlichkeit des Rußsensors erhöht ist.
Mit einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Sensor wenigstens einen zweiten Temperatursensor und/oder wenigstens einen zweiten Rußsensor aufweist, der oder die bevorzugt mit dem Anschluss, besonders bevorzugt mit den Kontaktelementen verbunden ist oder sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Rußsensor mit Temperatursensor kann vorgesehen sein, dass der Anschluss ein Befestigungsmittel, insbesondere ein Schraubgewinde und/oder einen Flansch aufweist, wobei das Keramiksubstrat mechanisch fest, bevorzugt über ein Glas mit dem Befestigungsmittel verbunden ist und der Anschluss ein elektrisches Kontaktierungsmittel aufweist, insbesondere einen Stecker mit wenigstens drei Kontaktstiften und/oder Buchsen, bevorzugt mit fünf oder sechs Kontaktstiften und/oder Buchsen aufweist, wobei der Temperatursensor und der Rußsensor mit dem Kontaktierungsmittel elektrisch kontaktiert sind.
Durch die feste Verbindung mit dem Anschluss ist eine leichte Einsetzbarkeit des Rußsensors beim Verbauen an einem Abgassystem gewährleistet.
Das elektrisch isolierende Substrat kann erfindungsgemäß auch über ein zweites Substrat fest mit dem Anschluss verbunden sein. Es kann also vorgesehen sein, dass das elektrisch isolierende Substrat selbst mit dem Anschluss fixiert ist oder dass das zweite Substrat mit dem Anschluss fixiert ist, wobei das zweite Substrat an dem elektrisch isolierenden Substrat befestigt ist. In dem zweiten Fall ist dann dadurch auch das elektrisch isolierende Substrat mit dem Anschluss starr und fest verbunden, nämlich über das zweite Substrat.
Mit einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor eine Dünnschicht oder eine Dickschicht ist, die Platin enthält oder aus Platin besteht. Auch kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Temperatursensor einen elektrischen Widerstand von mindestens 50 Ohm und höchstens 2000 Ohm bei 0° C hat.
Mit diesen Schichten beziehungsweise mit diesen Widerständen kann ein besonders geeigneter Temperatursensor als Widerstandstemperatursensor in Form eines Widerstandsmäanders aufgebaut werden. Die Temperatursensoren sind durch diesen Aufbau relativ genau.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die isolierende Schicht, die den Temperatursensor oder den Rußsensor zumindest bereichsweise abdeckt, aus einem Metalloxid oder aus einem Glas oder einer Glaskeramik besteht.
Solche isolierenden Schichten sind sowohl mechanisch als auch chemisch besonders stabil und daher gut zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Rußsensors geeignet. Die chemische Stabilität des Rußsensors ist aufgrund der chemisch aggressiven Umgebung im Gasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors für die Haltbarkeit des Rußsensors von Vorteil.
Des Weiteren wird ein Rußsensor mit einem Temperatursensor vorgeschlagen, der sich dadurch auszeichnet, dass der Temperatursensor einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die leitfähigen Strukturen, bevorzugt der Temperatursensor einen zumindest um den Faktor fünf höheren elektrischen Widerstand als die leitfähigen Strukturen, bevorzugt um den Faktor vierzig bis achtzig höheren elektrischen Widerstand als die leitfähigen Strukturen aufweist.
Bei diesen Widerstandsverhältnissen kann sichergestellt werden, dass der Temperatursensor mit einer hohen Genauigkeit messen kann und der Rußsensor mit den leitfähigen Strukturen gut ausgeheizt werden kann.
Es wird mit der Erfindung auch vorgeschlagen, dass der Temperatursensor ein Thermoelement ist, wobei das Thermoelement als strukturierte metallische Schicht aus mindestens zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Metallen und/oder Legierungen aufgebaut ist, die auf dem Keramiksubstrat angeordnet sind.
Mit Thermoelementen kann die Temperatur unabhängig von den leitfähigen Strukturen des Rußsensors sehr genau bestimmt werden. Es wurde überraschend gefunden, dass die Thermodrähte als Dünnschicht oder Dickschicht auf dem Keramiksubstrat oder der isolierenden Schicht aufgetragen werden können und sich für die Temperaturmessung nutzen lassen.
Mit einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auch vorgeschlagen, dass der Rußsensor als strukturierte metallische Schicht auf der isolierenden Schicht angeordnet ist, die den auf einem Keramiksubstrat angeordneten Temperatursensor zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig abdeckt, wobei die leitfähigen Strukturen des Rußsensors den Temperatursensor nicht überdecken, sondern nur auf den Bereichen der isolierenden Schicht angeordnet sind, die den Temperatursensor nicht unmittelbar bedecken, bevorzugt der Temperatursensor die leitfähigen Strukturen in einer durch die isolierende Schicht versetzte Ebene einrahmt.
Ferner kann bei erfindungsgemäßen Rußsensoren vorgesehen sein, dass die leitfähigen Strukturen auf einem Keramiksubstrat angeordnet sind und der Temperatursensor auf einem zweiten metallischen Substrat mit einer isolierenden Beschichtung aufgebracht ist, wobei der Temperatursensor auf der isolierenden Beschichtung (des zweiten, metallischen Substrats) angeordnet ist, oder das zweite Substrat ein keramisches oder oxydisches, isolierendes Substrat ist, auf dem der Temperatursensor unmittelbar angeordnet ist.
Ein Aufbau mit einer solchen Mehrfachschicht (Multilayer) kann kompakter gestaltet werden. Gleichzeitig ist ein innenliegender Temperatursensor besser vor der chemisch aggressiven Umgebung des Abgasstroms geschützt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen Motor, insbesondere Dieselmotor aufweisend einen solchen Rußsensor, wobei der Rußsensor mit dem Anschluss an einer Öffnung in einer Abgasleitung befestigt ist, so dass der Rußsensor im Abgasstrom des Motors angeordnet ist.
Erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors mit einem Temperatursensor können beispielsweise mit den folgen Verfahrensschritten realisiert werden:
Aufbringen einer strukturierten metallischen Schicht als Temperatursensor auf einem Keramiksubstrat;
Abdecken des Temperatursensors mit einer Isolationsschicht, bevorzugt Glas- oder Glaskeramikschicht;
Aufbringen einer metallischen Beschichtung, bevorzugt einer Edelmetall-Dickschicht auf Bereiche der Isolationsschicht; und
Strukturieren der metallischen Beschichtung mit einem Laserstrahl zu zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende leitfähige Strukturen zur Bildung eines Rußsensors.
Alternativ können auch die folgenden Verfahrensschritte realisiert werden:
Aufbringen einer strukturierten metallischen Schicht als Temperatursensor auf einer ersten Seite eines Keramiksubstrats;
Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf der zweiten Seite des Keramiksubstrats; und
Strukturieren der metallischen Beschichtung mit einem Laserstrahl zu zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende leitfähige Strukturen zur Bildung eines Rußsensors.
Mit einer weiteren Alternative können auch die folgenden Verfahrensschritte realisiert werden:
Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf einem Keramiksubstrat;
Strukturieren der metallischen Beschichtung mit einem Laserstrahl zu zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende leitfähige Strukturen zur Bildung eines Rußsensors; und
Aufbringen einer strukturierten zweiten metallischen Schicht als Temperatursensor auf dem Keramiksubstrat neben leitfähigen Strukturen oder um die leitfähigen Strukturen herum.
Mit noch einer weiteren Alternative können auch die folgenden Verfahrensschritte realisiert werden:
Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf einem Keramiksubstrat;
Strukturieren der metallischen Beschichtung mit einem Laserstrahl zu zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende leitfähige Strukturen zur Bildung eines Rußsensors;
Aufbringen einer strukturierten zweiten metallischen Schicht als Temperatursensor auf einem zweiten Substrat; und
Befestigen, bevorzugt Aufkleben des zweiten Substrats auf das Keramiksubstrat.
Auch kann als weiterer Verfahrensschritt, das Befestigen der Schichtstruktur an einem Anschluss bei allen erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, wobei der Temperatursensor und der Rußsensor elektrisch mit Kontaktelementen des Anschlusses elektrisch kontaktiert werden.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch die Herstellung eines Rußsensors aus einer zusammenhängenden metallischen Schicht mit einem Laserstrahl gelingt, einen besonders empfindlichen Rußsensor zur Bestimmung der Rußpartikeldichte eines Abgasstroms bereitzustellen, der zur Steuerung oder Regelung eines Verbrennungsvorgangs, insbesondere der Verbrennung in einem Diesel-Motor verwendet werden kann. Die mit dem Laserstrahl schnell und kostengünstig herzustellenden kleinen Abstände zwischen den leitfähigen Strukturen bewirken, dass die auf der Oberfläche des Rußsensors im Bereich der leitfähigen Strukturen adsorbierte Rußpartikel zu einer stärkeren Widerstandsänderung beziehungsweise Permittivitätsänderung führen und dadurch der Sensor empfindlicher reagiert. Durch die Kombination mit einem Temperatursensor in einem Schicht-Bauteil kann auf den Einbau eines zusätzlichen separaten Sensors verzichtet werden. Zudem kann das gleiche Substrat und sogar ein Teil der Leiterstruktur gemeinsam verwendet werden, um den Rußsensor herzustellen. Dadurch kann der Rußsensor mit dem Temperatursensor kostengünstiger gefertigt werden, als beide Sensoren einzeln.
Wenn der Rußsensor auf einer Schutzschicht auf dem Temperatursensor gefertigt wird, kann der Temperatursensor, dadurch, dass er vor der chemisch aggressiven Umgebung in dem Abgasstrom geschützt ist, auch ohne Bedenken oder zusätzliche Schutzmaßnahmen mit einer empfindlicheren Dünnschicht aufgebaut werden. Da die Struktur der leitfähigen Strukturen mit einem Laser geformt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Rußsensor und der Temperatursensor nicht direkt übereinander angeordnet sind, so dass beim Ausformen der Struktur der leitfähigen Strukturen des Rußsensors der Laserstrahl nicht durch die Schutzschicht hindurch schneidet und dabei die Dünnschicht oder Dickschicht des Temperatursensors beschädigt.
Wenn sich die leitfähigen Strukturen und der Temperatursensor einen Teil einer Leiterstruktur teilen, kann auf eines der Kontaktelemente beziehungsweise einen Stift oder eine Buchse für den Anschluss verzichtet werden. Zudem kann etwas Material für die Leiterstruktur gespart werden. Bei der Messung mit den beiden Sensoren oder beim Ausheizen des Rußsensors müssen nur die richtigen Kontaktelemente und damit die richtigen Anschlüsse der beiden Sensoren verwendet werden, so dass eine elektrische Spannung an den gewünschten Anschlüssen gemessen beziehungsweise angelegt wird.
Grundsätzlich ist es auch dann möglich, einen gemeinsamen Teil einer Leiterstruktur auf dem Keramik-Substrat zu verwenden, wenn der Temperatursensor und die leitfähigen Strukturen nicht auf der gleichen Seite des Keramik-Substrats angeordnet sind. Dies kann erfindungsgemäß bevorzugt dadurch erreicht werden, indem eine Durchkontaktierung verwendet wird, die die Leiterstruktur auf einer ersten Seite des Substrats mit dem gemeinsamen Teil der Leiterstruktur auf der zweiten Seite des Substrats verbindet.
Extrem gut haftende und korrosionsfeste Platindickschichten lassen sich nicht mit den bevorzugten geringen Abständen Siebdrucken.
Mit Hilfe des Lasers können besonders geringe Abstände zwischen den leitfähigen Strukturen des Rußsensors erzeugt werden. Durch die geringen Abstände wird der Rußsensor besonders empfindlich, so dass auch bei der Anlagerung von wenigen Rußpartikeln bereits eine messbare Änderung des elektrischen Gleichstromwiderstands oder der Permittivität im Rußsensor erzielt wird. Der mit dem Laser und dadurch mit geringen Abständen der leitfähigen Strukturen aufgebaute Rußsensor weist also eine höhere Empfindlichkeit auf als herkömmliche Rußsensoren.
Es ist möglich, alternativ den erfindungsgemäßen Sensor im Bereich der Untersuchung von zumindest einem Liquid zu verwenden. Dazu wird der Sensor bevorzugt als Dielektrizitätssensor ausgeführt, auch bekannt unter dem Namen Impedanzsensor, wobei bei dem Liquid beispielsweise die Qualität des Liquids und/oder der Fremdpartikelgehalt des Liquids mit Hilfe des Sensors gemessenen wird. Liquide können beispielsweise Öle, Fette oder Flüssigkeiten im Allgemeinen sein. Bevorzugt werden Öle oder Fette untersucht, beispielsweise Fette zum Frittieren in der Gastronomie oder Öle im Bereich Automobil, beispielsweise Pkw- oder Lkw-Motoröle. Ein erfindungsgemäßer Sensor im Bereich der Untersuchung von zumindest einem Liquid lässt sich gemäß des Patentanspruchs 1 und der abhängigen Patentansprüche herstellen. Ferner weist ein erfindungsgemäßer Sensor im Bereich der Untersuchung von zumindest einem Liquid die Merkmale gemäß Patentanspruch 11 und der zugehörigen, abhängigen Patentansprüche auf. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von sieben schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:
1: eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rußsensor mit einem Temperatursensor;
2: eine schematische Aufsicht auf einen alternativen erfindungsgemäßen Rußsensor mit Anschluss in schematischer Querschnittansicht;
3: eine schematische Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Rußsensor nach 2;
4: eine schematische seitliche Querschnittansicht durch einen dritten erfindungsgemäßen Rußsensor;
5: eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rußsensor;
6: eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rußsensor mit einem Temperatursensor; und
7: eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In allen Figuren werden der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Bauteile verwendet, auch wenn diese sich geringfügig unterscheiden können und die mit gleichen Bezugszeichen versehenen Bauteile daher nicht immer völlig gleichartig sind.
1 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rußsensor. Auf einem elektrisch isolierenden Substrat 1 aus Aluminiumoxid oder einem anderen Metalloxid sind metallische Strukturen aus Platin oder einer Platinlegierung aufgebracht. Als metallische Strukturen sind zwei Heizwendeln 2, 3 auf dem isolierenden Substrat 1 angeordnet, die ineinander verschachtelt beziehungsweise ineinander verschachtelt sind. Die Heizwendeln 2, 3 sind mit Zuleitungen 4, 5 elektrisch kontaktiert. Die Heizwendeln 2, 3 und die Zuleitungen 4, 5 bilden bereits einen Rußsensor auf dem elektrisch isolierenden Substrat 1.
Die Zuleitung 5 und eine Zuleitung 6 bilden die elektrische Kontaktierung für eine Mäanderstruktur, die einen Temperatursensor 7 auf dem Keramiksubstrat 1 bildet. Die Zuleitung 5 ist also eine gemeinsame Zuleitung 5 sowohl für eine der Heizwendeln 3 als auch für den Temperatursensor 7. Der Temperatursensor 7 ist eine Platinwiderstandstruktur mit einem im Vergleich zu den Heizwendeln 2, 3 hohen (zehnfach höherem bis hundertfach höherem) elektrischen Widerstand.
Der durch die Heizwendeln 2, 3 und den Temperatursensor 7 gebildete Kombinationssensor kann mit einem Gewinde 10 in einer Öffnung eines Abgasrohrs (nicht gezeigt) mit geeignetem Gegengewinde oder mit einer Halterung mit einem entsprechenden Gegengewinde befestigt werden. Der Temperatursensor 7 und die Heizwendeln 2, 3 weisen im eingebauten Zustand ins Innere des Abgasrohrs. Nach Außen weist der Rußsensor fünf Stecker 12 auf, die mit den Zuleitungen 4, 5, 6 elektrisch verbunden sind.
Alle Zuleitungen 4, 5, 6 münden in verbreiterte Leitungsschichten 14, die zwischen den Zuleitungen 4, 5, 6 und den Steckern 12 angeordnet sind. Durch die Verbreiterung wird sichergestellt, dass der elektrische Widerstand vornehmlich durch den Temperatursensor 7 und die Heizwendeln 2, 3 verursacht wird und dementsprechend die elektrische Spannung im Wesentlichen am Temperatursensor 7 und den Heizwendeln 2, 3 abfällt. Die Länge des isolierenden Substrats 1 und der verbreiterten Leitungsschichten 14 (in 1 von oben nach unten) dient der thermischen Isolation des Rußsensors zum Anschluss 16 hin, der die Stecker 12 und das Gewinde 10 beinhaltet.
Die Leiterbahnen der Heizwendeln 2, 3, der Zuleitungen 4, 5, 6, des Temperatursensors 7 sowie ein gemeinsames Teil 8, das sowohl als Zuleitung zu der Heizwendel 3 als auch zum Temperatursensor 7 genutzt wird, sind in 1 nur als Linien dargestellt. Die Breite der Linien entspricht dabei nicht der wirklichen Breite der Leiterbahnen. Die Abstände der Heizwendeln 2, 3 sind erfindungsgemäß wesentlich feiner, als dies in der Übersicht der schematischen 1 dargestellt werden kann.
Die Stecker 12 reichen durch den Anschluss 16 hindurch und sind elektrisch mit den verbreiterten Leitungsschichten 14 verbunden, beispielsweise, indem Drähte aufgelötet oder aufgeschweißt sind. Der Anschluss 16 kann beispielsweise ein keramischer Pfropfen mit Durchführungen für Drähte, beziehungsweise mit eingeschlossenen Drähten zur elektrischen Kontaktierung der Stecker 12 mit den verbreiterten Leitungsschichten 14 sein. Der Anschluss 16 ist mit einer Verglasung aus einem SiO₂-basiertem Glas (nicht gezeigt) mechanisch fest und starr mit dem isolierenden Substrat 1 verbunden. Die Verglasung dient zum Einen der Verbindung des Anschlusses 16 mit dem isolierenden Substrat 1 bewirkt aber auch, dass die Verbindungsdrähte zwischen den Steckern 12 und der verbreiterten Leitungsschichten 14 fixiert und geschützt sind und dass der Anschluss 16 nach außen (in Richtung der Stecker 12) abgedichtet ist.
Bei einer Messung wird zunächst der elektrische Gleichstromwiderstand zwischen den Heizwendeln 2, 3 gemessen. Wenn sich Rußpartikel auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 1 zwischen den Heizwendeln 2, 3 ablagern, verändert sich dadurch der elektrische Widerstand zwischen den Heizwendeln 2, 3. Nach einer vorher bestimmten Zeit oder nach einer vorher bestimmten Widerstandsänderung werden die Heizwendeln 2, 3 mit einem Strom auf 600° C bis 700° C geheizt. Dadurch verbrennen die Rußpartikel auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 1 im Bereich der Heizwendeln 2, 3, das heißt, dass diese Oberfläche freigebrannt wird. Anschließend können wieder der elektrische Widerstand und dessen Veränderung über die Zeit bestimmt werden, um die Rußpartikel-Konzentration und deren zeitliche Veränderung im Abgasstrom zu bestimmen.
In den Pausen dazwischen oder, bei geeigneter rechnerischer Berücksichtigung der Einflüsse durch den Betrieb der Heizwendeln 2, 3 auch gleichzeitig kann die Temperatur des Abgasstroms mit Hilfe des Temperatursensors 7 bestimmt werden.
Die Heizwendeln 2, 3 und der Temperatursensor 7 können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass zunächst eine Platinschicht oder Platinlegierungsschicht als Dickschicht auf dem isolierenden Substrat 1 aufgetragen wird. Anschließend wird die gezeigte Struktur mit Hilfe eines Lasers beziehungsweise eines Laserstrahls erzeugt, der die in 1 freien Bereiche zwischen den Heizwendeln 2, 3 und, wenn gewünscht auch zwischen den Leitern des Temperatursensors 7 und/oder den Zuleitungen 4, 5, 6 verdampft. Die gezeigten Strukturen können mit einem geeigneten Druckverfahren, mit dem die Dickschicht aufgetragen wird, auch bereits vorstrukturiert sein, so dass mit dem Laser nur noch die geringen Abstände zwischen den Heizwendeln 2, 3 des Rußsensors freigebrannt werden müssen.
Durch die Verwendung eines Lasers können sehr schmale Abstände zwischen den Heizwendeln 2, 3 des Rußsensors erzeugt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Rußsensors erhöht ist.
2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen alternativen erfindungsgemäßen Rußsensor mit Anschluss in schematischer Querschnittansicht und 3 zeigt eine schematische Seitenansicht auf den gleichen Rußsensor, ohne dass der Anschluss 16 in der gleichen Detailtreue dargestellt ist, wie in 2. 2 zeigt also nur einen vereinfachten Anschluss 16, der in 1 detaillierter dargestellt ist.
Der Rußsensor nach den 2 und 3 weist ein Keramiksubstrat 1 auf, auf dem zwei Rußsensoren mit jeweils zwei Heizwendeln 2, 3 als metallische leitfähige zusammenhängende Strukturen nebeneinander angeordnet sind. Die Beabstandung der Heizwendeln 2, 3 zueinander wird mit Hilfe eines Lasers erzeugt, der die zuvor zusammenhängende metallische Schicht in zwei mal zwei separate Heizwendeln 2, 3 trennt.
Über niederohmige verbreiterte Leitungsschichten 14 aus Metall sind die Heizwendeln 2, 3 elektrisch kontaktierbar. Die verbreiterten Leitungsschichten 14 und Bereiche der Heizwendeln 2, 3 sind mit einer isolierenden Schicht 21 bedeckt. Als isolierende Schicht 21 kann beispielsweise eine Glas- oder eine Glaskeramik- oder eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht werden. Durch die bereichsweise Abdeckung der Heizwendeln 2, 3 der Rußsensoren kann sichergestellt werden, dass die freiliegenden Bereiche eine zum Freibrennen ausreichende Temperatur erreichen können.
Auf der isolierenden Schicht 21 ist ein Temperatursensor mittels Glaslot befestigt. Der Temperatursensor weist einen Chip auf, der auf einem Al₂O₃-Substrat 22 angeordnet und mit Drähten 6 als Zuleitungen elektrisch kontaktierbar ist. Die Drähte 6 und die Anschlüsse zum Temperatursensor sind mit einer isolierenden Zugentlastung 24 (beispielsweise einem Glaskeramiktropfen) bedeckt. Der Temperatursensor ist ein Widerstandsmäander auf dem zweiten Substrat 22, kann aber auch als Thermoelement realisiert werden. Eine solche Zugentlastung 24 ist auch bei der Verbindung von Anschlussdrähten 12 mit den verbreiterten Leitungsschichten 14 vorgesehen.
Statt des Al₂O₃-Substrats 22 kann auch ein Glasplättchen oder ein Metallplättchen mit einer Glasschicht als zweites Substrat 22 verwendet werden. Das zweite Substrat 22 und damit der Temperatursensor werden unabhängig von der Wahl des Materials des zweiten Substrats 22 auf die isolierende Schicht 21 mittels Glaslot befestigt.
Der Anschluss 16, der in 2 in einer detaillierten Querschnittansicht gezeigt ist, umfasst neben den Steckern 12 beziehungsweise den Anschlussdrähten 12 einen zylindrischen Keramikblock 26 mit Durchführungen für die Anschlussdrähte 12. Der Keramikblock 26 ist 10 mm bis 20 mm lang und die Durchführungen sind dünne zylindrische Kapillarröhren. Die Anschlussdrähte 12 sind mit den Durchführungen dicht verbunden, indem dort eine Verglasung vorgesehen ist, die die Zwischenräume bereichsweise ausfüllt. Der Keramikblock 26 ist in eine zylindrische Stahlhülse 28 mit einem vorspringenden Rand geklebt. Die Stahlhülse 28 ist wiederum mit einem Stahlrohr 30 verschweißt. Das Stahlrohr 30 hat ein Außengewinde 10 und einen Anschlag, so dass das Stahlrohr 30 über das Gewinde 10 fest in eine Öffnung in einem Abgasrohr (nicht gezeigt) mit entsprechendem Gegengewinde eingeschraubt werden kann.
Alternativ und für alle Ausführungsformen kann als Befestigungsmittel auch bevorzugt eine Überwurfmutter mit Innengewinde vorgesehen sein, die an einem Außengewinde eines Rohranschlussstücks des Abgassystems befestigt werden kann.
Zur Abdichtung des Anschlusses 16 und Fixierung des Keramiksubstrats 1 ist eine Verglasung 32 vorgesehen, die fest mit dem Keramikblock 26, der Stahlhülse 28, den Drähten 12, den Zuleitungsdrähten 6 zum Temperatursensor und dem Keramiksubstrat 1 beziehungsweise der Zugentlastung 24 verbunden ist.
4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittansicht durch einen dritten erfindungsgemäßen Rußsensor. Auf einem Keramiksubstrat 1 ist ein Temperatursensor 7 als Dünnschicht aufgebracht. Der Temperatursensor 7 kann als Widerstandstemperatursensor in Form eines Platinmäanders oder auch als Thermoelement mit zwei unterschiedlichen Metallen beziehungsweise Legierungen aufgebaut werden.
Der Temperatursensor 7 ist mit verbreiterten niederohmigen Leitungsschichten 14 verbunden, die den Temperatursensor 7 mit einem Draht als Stecker 12 verbinden.
Auf dem Temperatursensor 7 und den Leitungsschichten 14 ist eine isolierende Aluminiumoxidschicht 20 aufgebracht. Auf dieser Aluminiumoxidschicht 20 wird eine Platindickschicht aufgebracht (beispielsweise aufgedruckt), die anschließend mit einem Laser zu einem Rußsensor mit zwei ineinander verschachtelten Heizwendeln 42 oder zwei ineinander verschachtelte Kamm-Elektroden 43 strukturiert wird. Um eine Beschädigung des Temperatursensors 7 beziehungsweise der Zuleitungen 14 durch die Aluminiumoxidschicht 20 hindurch bei der Bearbeitung mit dem Laser zu vermeiden, kann der Temperatursensor 7 und gegebenenfalls auch die Zuleitungen 14 gegenüber dem Rußsensor 2 versetzt angeordnet sein, so dass die Heizwendeln 42 beziehungsweise die Elektroden 43 des Rußsensors nicht direkt oberhalb des Temperatursensors 7 angeordnet sind.
Auch die Heizwendeln 42 beziehungsweise die Elektroden 43 sind über Drähte beziehungsweise Stecker 12 elektrisch kontaktierbar. Die Stecker 12 beziehungsweise die Drähte zur Kontaktierung des Temperatursensors 7 und der Heizwendeln 42 beziehungsweise der Elektroden 42 erstrecken sich durch einen gemeinsamen Anschluss 16, mit dem der Rußsensor an ein Abgassystem angeschlossen werden kann.
Tatsächlich sind die Drähte beziehungsweise die Stecker 12 und auch das Keramiksubstrat 1 natürlich wesentlich dicker als die Dünnschicht des Temperatursensors 7 oder die Dickschicht der Heizwendeln 42 beziehungsweise der Elektroden 43, obwohl dies in der schematischen Darstellung nach 4 nicht so dargestellt ist. Die Darstellung nach 4 soll hauptsächlich zur Darstellung der geometrischen Anordnung der Schichtstruktur dienen und ist daher mit nicht korrekten Dickenverhältnissen gezeigt.
5 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rußsensor. Der Rußsensor hat ein Substrat 1 aus einem Metalloxid oder einer Metalloxid-Keramik auf dem zwei ineinander verschachtelte Heizwendeln 2, 3 als Mäanderstruktur aus einer Platindickschicht angeordnet sind. Die Struktur der Heizwendeln 2, 3 wurde aus einer zuvor zusammenhängenden Platindickschicht mit einem Laserstrahl geschnitten. Über kurze Zuleitungen 4 sind die Heizwendeln 2, 3 mit verbreiterten Leitungsschichten 14 verbunden. Der Widerstand fällt aufgrund des niedrigeren Leitungsquerschnitts vor allem an den Heizwendeln 2, 3 ab und nicht an den verbreiterten Leitungsschichten 14 ab.
Das Substrat 1 ist mit einem Glaslot oder einem temperaturstabilen Klebstoff (nicht gezeigt) in einem zylindrischen Anschluss 16 befestigt. Auf dem Zylindermantel des Anschlusses 16 ist ein Außengewinde 10 zur Befestigung des Rußsensors in einem Abgassystem angeordnet. Die verbreiterten Leitungsschichten 14 sind elektrisch leitend mit Steckern 14 verbunden, über die die Heizwendeln 2, 3 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind.
Durch die Verwendung eines Laserstrahls zur Strukturierung der Heizwendeln 2, 3 können die beiden Heizwendeln 2, 3 mit einem Abstand zwischen 10 µm und 30 µm erzeugt werden. Durch den geringen Abstand wird die Empfindlichkeit des Rußsensors im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Rußsensoren mit Abständen von ungefähr 80 µm bis 100 µm zwischen den Heizwendeln erhöht.
6 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Rußsensor. Auf einem elektrisch isolierenden Substrat 1 aus einem Metalloxid, bevorzugt aus Aluminiumoxid, sind metallische Strukturen aus Platin oder einer Platinlegierung aufgebracht. Als metallische Strukturen sind zwei Elektroden 52, 53 auf dem isolierenden Substrat 1 angeordnet, die eine ineinander verschachtelte beziehungsweise ineinander verschachtelte Kammstruktur aufweisen und in sich jeweils zusammenhängend sind. Die Elektroden 52, 53 sind mit Zuleitungen 4, 5 elektrisch kontaktiert. Die Elektroden 52, 53 und die Zuleitungen 4, 5 bilden bereits einen Rußsensor auf dem elektrisch isolierenden Substrat 1.
Auf der Rückseite des Keramiksubstrats 1 ist eine Mäanderstruktur (in 6 nicht zu erkennen) ausgeformt, die einen Temperatursensor bildet. Der Temperatursensor ist bevorzugt eine Platinwiderstandstruktur.
Der durch die Kamm-Elektroden 52, 53 und den Temperatursensor gebildete Kombinationssensor kann mit einem Gewinde 10 in einer Öffnung eines Abgasrohrs (nicht gezeigt) mit geeignetem Gegengewinde oder mit einer Halterung mit einem entsprechenden Gegengewinde befestigt werden. Der Temperatursensor und die Elektroden 52, 53 weisen im eingebauten Zustand ins Innere des Abgasrohrs. Nach Außen weist der Rußsensor drei Stecker 12 auf, die mit den Zuleitungen 4, 5 für die Elektroden und den Zuleitungen für den Temperatursensor elektrisch verbunden sind. Mit Hilfe einer Durchkontaktierung durch das Keramiksubstrat 1 wird der Stecker 12, der mit der Zuleitungen 5 verbunden ist, auch zur elektrischen Kontaktierung eines Endes des Temperatursensors verwendet.
Alle Zuleitungen 4, 5 münden in verbreiterte Leitungsschichten 14, die zwischen den Zuleitungen 4, 5 und den Steckern 12 angeordnet sind. Durch die Verbreiterung wird sichergestellt, dass der elektrische Widerstand vornehmlich durch den Temperatursensor und die Elektroden 52, 53 verursacht wird und dementsprechend die elektrische Spannung im Wesentlichen am Temperatursensor und den Elektroden 52, 53 abfällt. Die Länge des isolierenden Substrats 1 und der verbreiterten Leitungsschichten 14 (in 1 von oben nach unten) dient der thermischen Isolation des Rußsensors zum Anschluss 16 hin, der die Stecker 12 und das Gewinde 10 beinhaltet. Es reicht aus die Länge des Rußsensors derart zu wählen, dass die Isolation und die Stecker 12 keinen Schaden durch die Hitze des Abgases nehmen.
Die Stecker 12 reichen durch den Anschluss 16 hindurch und sind elektrisch mit den verbreiterten Leitungsschichten 14 verbunden, beispielsweise, indem Drähte aufgelötet oder aufgeschweißt sind. Der Anschluss 16 kann beispielsweise ein keramischer Pfropfen mit Durchführungen für Drähte, beziehungsweise mit eingeschlossenen Drähten zur elektrischen Kontaktierung der Stecker 12 mit den verbreiterten Leitungsschichten 14 sein. Der Anschluss 16 ist mit einer Verglasung aus einem SiO₂-Glas (nicht gezeigt) mechanisch fest und starr mit dem isolierenden keramischen Substrat 1 verbunden. Die Verglasung dient zum Einen der Verbindung des Anschlusses 16 mit dem isolierenden Substrat 1 bewirkt aber auch, dass die Verbindungsdrähte zwischen den Steckern 12 und der verbreiterten Leitungsschichten 14 fixiert und geschützt sind und dass der Anschluss 16 nach außen (in Richtung der Stecker 12) abgedichtet ist.
Die Abstände zwischen den Elektroden 52, 53 sind in der schematischen Darstellung nach 6 vergrößert dargestellt und tatsächlich nur etwa 30 µm bis 50 µm groß. Dazu werden die Elektroden 52, 53 mit Hilfe eines Laserstrahls voneinander getrennt, dessen Breite des Brennpunkts den Abstand zwischen den Elektroden 52, 53 bestimmt. Die Leiterbahnen der Elektroden 52, 53 und der Zuleitungen 4, 5 sind in 6 im Gegensatz zu 1 als Flächen dargestellt. Die Breite der Flächen entspricht dabei nicht der wirklichen Breite der Leiterbahnen und insbesondere die Abstände der Elektroden 52, 53 sind erfindungsgemäß wesentlich feiner, als dies in der Übersicht der schematischen 6 dargestellt ist.
Bei einer Messung wird der elektrische Gleichstromwiderstand zwischen den Kamm-Elektroden 52, 53 und/oder die Kapazität zwischen den beiden Kamm-Elektroden 52, 53 gemessen. Die Kapazität kann beispielsweise mit Hilfe eines LC-Schwingkreises gemessen werden. Wenn sich Rußpartikel auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 1 zwischen den Elektroden 52, 53 ablagern, verändert sich dadurch der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden 52, 53 beziehungsweise die Permittivität zwischen den beiden Elektroden 52, 53, was sich bei einer kapazitiven Messung auswirkt.
Mit einer separaten Heizeinrichtung (nicht gezeigt), die auf dem keramischen Substrat 1 angeordnet sein kann, kann das keramische Substrat 1 zwischen den Messungen auf 600° C bis 700° C geheizt werden. Dadurch verbrennen die Rußpartikel auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 zwischen den Elektroden 52, 53, das heißt, dass die Oberfläche des keramischen Substrats 1 zwischen den Elektroden 52, 53 freigebrannt wird. Anschließend können wieder der elektrische Widerstand und/oder die Kapazität zwischen den Elektroden 52, 53 sowie deren Veränderung über die Zeit bestimmt werden, um die Rußpartikel-Konzentration und deren zeitliche Veränderung im Abgasstrom zu bestimmen.
In den Pausen dazwischen oder, bei geeigneter rechnerischer Berücksichtigung der Einflüsse durch den Betrieb der Elektroden 52, 53 auch gleichzeitig kann die Temperatur des Abgasstroms mit Hilfe des Temperatursensors 7 bestimmt werden.
Die Elektroden 52, 53 und der Temperatursensor 7 werden beispielsweise dadurch erzeugt, dass zunächst eine Platinschicht oder Platinlegierungsschicht als Dickschicht auf dem keramischen Substrat 1 aufgetragen wird. Anschließend wird die in 6 gezeigte Struktur mit Hilfe eines Lasers beziehungsweise eines Laserstrahls erzeugt, indem die in 6 gezeigten freien Bereiche zwischen den Elektroden 52, 53 mit dem Laserstrahl verdampft wird. Dazu wird der Laserstrahl auf die Oberfläche der Platinschicht oder Platinlegierungsschicht fokussiert. Die gezeigten Strukturen können mit einem geeigneten Druckverfahren, mit dem die Dickschicht aufgetragen wird, auch bereits vorstrukturiert sein, so dass mit dem Laser nur noch die geringen Abstände zwischen den Kamm-Elektroden 52, 53 des Rußsensors freigebrannt werden müssen.
Durch die Verwendung eines Lasers können sehr schmale Abstände zwischen den Elektroden 52, 53 des Rußsensors erzeugt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Rußsensors erhöht ist.
7 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf die Unterseite (in 7 unten) eines Substrats 60 aus Al₂O₃ wird ein Heizer 62 mit zwei Kontaktpads 64 aufgebracht. Der Heizer 62 kann beispielsweise mit einer Dickschichttechnik als metallische Schicht aufgedruckt werden.
Die Heizwendeln des Heizers 62 werden mit einer Passivierung 66 abgedeckt, so dass der Heizer 62 beidseitig von dem Al₂O₃-Substrat 60 und der Passivierung 66 nach Art einer Sandwichstruktur geschützt ist. Als Passivierung 66 kann beispielsweise ein Keramikplättchen aufgeklebt werden.
Auf die Oberseite (in 7 oben) des Substrats 60 wird eine vorstrukturierte Platin-Dickschicht 68 aufgetragen. In einem zeitlich darauf folgenden Schritt wird diese Platin-Dickschicht 68 mit Hilfe eines Laserstrahls, der entlang einer ununterbrochenen Linie über die Platin-Dickschicht 68 geführt wird, in zwei voneinander elektrisch isolierte Teile getrennt. Dadurch entsteht eine laserstrukturierte Platin-Dickschicht 70, die zwei ineinander greifende Kamm-Elektroden 52, 53 aufweist. Durch die Verwendung des Lasers können extrem geringe Abstände zwischen den Elektroden 52, 53 von unter 50 µm realisiert werden. Gleichzeitig können so, bei gegebener, gleichbleibender Fläche des Substrats 60 Kamm-Elektroden 52, 53 mit einer höheren Anzahl von Kammzähnen erzeugt werden, so dass die erzeugte Struktur 70 eine größere Elektrodenfläche aufweist. Durch die geringeren Abstände der Elektroden 52, 53 und die größere Elektrodenfläche sinkt die elektrische Isolation zwischen den Elektroden 52, 53 und damit steigt die Empfindlichkeit des Rußsensors.
Wenn sich Rußpartikel durch Adsorption auf der Oberfläche des derart hergestellten Rußsensors ablagern, so werden sich diese auch in den mit dem Laser freigebrannten beziehungsweise verdampften Zwischenräumen zwischen den Elektroden 52, 53 ablagern. Je länger diese mit dem Laser erzeugte Linie zwischen den Elektroden 52, 53 ist, desto höher ist statistisch die Wahrscheinlichkeit für eine Anlagerung zwischen den Elektroden 52, 53.
Wenn sich Rußpartikel in diesen Zwischenräumen zwischen den Elektroden 52, 53 ablagern, führt dies zu einer Widerstandsänderung und bei ausreichender Anzahl der Rußpartikel beziehungsweise ausreichender mit Rußpartikeln belegter Oberfläche der Zwischenräume zu einem messbaren Signal in Form eines elektrischen Isolationsverlusts. Der Rußsensor hat durch die geringen Abstände und die größere Länge der Zwischenräume der Abstände zwischen den Elektroden 52, 53 eine höhere Empfindlichkeit.
7 zeigt nicht direkt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensors. Wenn man sich die unstrukturierte Platindickschicht 68 wegdenkt, ist mit 7 jedoch eine Explosionsdarrstellung eines erfindungsgemäßen Rußsensors gezeigt.
Die in der voranstehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Elektrisch isolierendes Substrat
2, 3: Heizwendel
4: Zuleitung zur Heizwendel
5: Gemeinsame Zuleitung
6: Zuleitung zum Temperatursensor
7: Temperatursensor
8: Gemeinsames Teil
10: Gewinde
12: Stifte / Drähte
14: Verbreiterte Leitungsschicht
16: Anschluss
20: Isolationsschicht
21: Isolierende Schicht
22: Zweites Substrat
24: Isolation / Zugentlastung
26: Keramikblock
28: Stahlhülse
30: Rohranschlussstück
32: Verglasung
42: Heizwendel
43: Elektrode
52: Elektrode
53: Elektrode
60: Substrat
62: Heizer
64: Anschlusspad
66: Passivierung
68: Pt-Dickschicht
70: Laserstrukturierte Pt-Dickschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007038680 A1 [0003]
WO 2011/106625 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rußsensors, umfassend die Verfahrensschritte Aufbringen einer zusammenhängenden metallischen Schicht (68) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (1, 20, 60); Strukturieren der metallischen Beschichtung (68) mit einem Laserstrahl durch Verdampfen von Bereichen der metallischen Schicht (68), wobei zumindest zwei ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) erzeugt werden und die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) mit dem Laserstrahl derart räumlich voneinander getrennt und elektrisch voneinander isoliert werden, dass die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) bezogen auf ihre Gesamtlänge im Wesentlichen nebeneinander und in diesem Bereich dicht nebeneinander verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (68) vorstrukturiert auf das elektrisch isolierende Substrat (1, 20) aufgebracht wird, wobei bevorzugt zumindest verbreiterte Leitungsschichten (14) zur elektrischen Kontaktierung der leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) vorstrukturiert werden, besonders bevorzugt die gesamten Zuleitungen (4, 5, 14) zu den leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) vorstrukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in einer Linie, bevorzugt in einer mäanderförmigen Linie, entlang der Beabstandung der zu erzeugenden leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) über die metallische Schicht (68) gefahren wird und dabei die metallische Schicht (68) entlang dieser Linie verdampft, wobei bevorzugt der Abstand zwischen den fertig strukturierten leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) dem Durchmesser des Wirkungsquerschnitts des Brennflecks des Laserstrahls entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) entlang zumindest 90% ihrer Gesamtlänge nebeneinander verlaufen, bevorzugt entlang zumindest 98% ihrer Gesamtlänge nebeneinander verlaufen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierendes Substrat (1, 20, 60) ein Metalloxid-Substrat (1, 20, 60) oder ein Glassubstrat (20) verwendet wird, bevorzugt ein keramisches Al₂O₃-Substrat (60) oder eine Glas-, Glaskeramik- oder Al₂O₃-Schicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der, der metallischen Beschichtung (68) oder des Rußsensors gegenüberliegenden Seite des elektrisch isolierenden Substrats (1) oder neben den leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) auf dem elektrisch isolierenden Substrat (1) ein Temperatursensor (7) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Strukturierung der leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) die Zuleitungen (4, 5, 14) der leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) vollständig und bevorzugt die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) bereichsweise mit einer isolierenden Schicht (21) aus einem Metalloxid, Glas oder einer Glaskeramik beschichtet wird und bevorzugt der Temperatursensor (7) auf der isolierenden Schicht (21) befestigt wird, besonders bevorzugt mittels Glaslot befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst ein Temperatursensor (7) auf einem Keramiksubstrat (1) erzeugt wird, bevorzugt in Dünnschichttechnik, anschließend das elektrisch isolierende Substrat (20) als Schicht auf den Temperatursensor (7) aufgebracht wird und anschließend die zusammenhängende metallische Schicht (68) zum Erzeugen der leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) auf dem elektrisch isolierenden Substrat (20) aufgetragen wird, wobei bevorzugt eine Schicht aus Al₂O₃ oder Glas oder Glaskeramik als elektrisch isolierendes Substrat (20) auf dem Temperatursensor (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur an einem Anschluss (16) befestigt wird, wobei die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) und bevorzugt auch der Temperatursensor (7) elektrisch mit Kontaktelementen (12) des Anschlusses (16) kontaktiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 52, 53) ineinander verschachtelte Heizwendeln (2, 3, 42) oder Elektroden (43, 52, 53) geformt werden.
Rußsensor hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor ein elektrisch isolierendes Substrat (1, 20, 60) und wenigstens zwei voneinander räumlich getrennte und ineinander verschachtelte zusammenhängende elektrisch leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) als strukturierte metallische Schichten aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen den leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) mit einem Laser freigebrannt ist, bevorzugt der Zwischenraum zumindest bereichsweise kleiner als 50 µm ist und die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) mit verbreiterten Leitungsschichten (14) kontaktiert sind.
Rußsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die verbreiterten Leitungsschichten (14) mit einer isolierenden Schicht (21) bedeckt sind, bevorzugt die an die verbreiterten Leitungsschichten (14) angrenzenden Bereiche der leitfähige Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) mit einer isolierenden Schicht (21) bedeckt sind.
Rußsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußsensor einen Anschluss (16) und einen Temperatursensor (7) aufweist, wobei die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) als strukturierte metallische Schicht auf dem elektrisch isolierenden Substrat (1, 20, 60) angeordnet sind und mit einer isolierenden Schicht (21) bereichsweise abgedeckt sind, wobei der Temperatursensor (7) als strukturierte metallische Schicht auf der isolierenden Schicht (21) angeordnet ist oder die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) und der Temperatursensor (7) auf dem gleichen elektrisch isolierenden Substrat (1, 60) angeordnet sind, wobei der Temperatursensor (7) und die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) elektrisch und mechanisch mit dem Anschluss (16) verbunden sind.
Rußsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Substrat (1, 20, 60) ein keramisches Metalloxid-Substrat (60) ist, insbesondere aufweisend Al₂O₃, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid und/oder SiO₂, bevorzugt ein keramisches Al₂O₃-Substrat (60) ist.
Rußsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) mit einem Laser strukturierte Edelmetall-Dickschichten (68) sind, bevorzugt Platin-Dickschichten (68) sind und/oder die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) einen elektrischen Widerstand von mindestens 1 Ohm und höchstens 10 Ohm haben.
Rußsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Strukturen (2, 3, 42, 43, 52, 53) ineinander verschachtelte Heizwendeln (2, 3, 42) oder Elektroden (43, 52, 53) sind.
Motor, insbesondere Dieselmotor, aufweisend einen Rußsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Rußsensor mit dem Anschluss an einer Öffnung in einer Abgasleitung befestigt ist, so dass der Rußsensor im Abgasstrom des Motors angeordnet ist.