DE102013216227A1

DE102013216227A1 - Kapazitive Eigendiagnose des Elektrodensystems eines Partikelsensors

Info

Publication number: DE102013216227A1
Application number: DE102013216227.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hetznecker; Christoph Peters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2015-02-19
Also published as: WO2015022167A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensor (112) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas. Der Sensor (112) weist mindestens eine Messanordnung (110) mit mindestens zwei Elektroden (114) sowie mindestens ein zwischen den Elektroden (114) angeordnetes Isolatorelement (122) auf. Aus einem Stromfluss zwischen den Elektroden (114) ist der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar. Die Elektroden (114) weisen mindestens ein metallisches Material auf. Mindestens eine der Elektroden (114) ist als Doppelschichtelektrode (116) ausgebildet und weist mindestens zwei Phasengrenzen auf. Eine erste der Phasengrenzen (126) ist eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten und eine zweite der Phasengrenzen (128) ist eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement (122).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas bekannt. Beispielsweise können die Partikel Ruß- oder Staubpartikel sein.
Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Bestimmung eines Partikelgehalts, insbesondere von Rußpartikeln beschrieben. Insbesondere kann der Sensor ein Rußpartikelsensor sein. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Verbrennungsmotor der Diesel-Bauart eingesetzt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine handeln. Üblicherweise befinden sich diese Sensoren stromabwärts eines Auslassventils bzw. eines Rußpartikelfilters.
In US 6,634,210 B1 wird ein Rußpartikel-Sensorsystem beschrieben, das den Stromfluss auswertet, der zwischen zwei Elektroden fließt, zwischen denen sich Ruß angelagert hat. Das Rußpartikel-Sensorsystem umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, welche auf einem Substrat angeordnet sind und in thermischer und elektrischer Verbindung mit einem Heizer stehen.
Grundsätzlich bestimmt ein Sensor, wie beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt, den Partikelgehalt, insbesondere eine Konzentration von Teilchen, mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstandes des die beiden Elektroden trennenden keramischen Wertstoffs erfolgen. Insbesondere wird bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden der elektrische Strom zwischen den Elektroden gemessen. Die Rußpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Der gemessene Strom hängt von der Anzahl der leitfähigen Brücken ab und steigt je mehr dieser leitfähigen Brücken vorhanden sind. Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden. Der Betrieb dieser partikelsammelnden Sensoren erfordert eine zyklisch stattfindende Sensorregeneration, die den bis dahin gesammelten Ruß wieder abbaut. Ein bewährtes Verfahren hierfür ist die Verbrennung von Ruß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die ab Temperaturen von ca. 700 °C beginnt. Die Erzeugung dieser Regenerationstemperatur kann über ein metallisches Heizelement erfolgen, das in den Sensor integriert ist.
Bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sollte eine sogenannte On-Board-Diagnose möglich sein, für welche insbesondere eine Unterscheidung zwischen einem defekten und einem funktionsfähigen Sensor zur Bestimmung des Partikelgehalts in einem Messgas nötig ist. Bei einem intakten Rußpartikelfilter, welcher beispielsweise vor dem Sensor angeordnet ist, können sich keine Partikel an die Elektroden des Sensors anlagern. So sinkt eine Leitfähigkeit der Elektroden auf einen Wert einer Restleitfähigkeit der Keramik, auf der die Elektroden angeordnet sind. Der Wert der Restleitfähigkeit kann insbesondere bei niedrigen Temperaturen so gering sein, dass nicht zwischen einem Sensor ohne Ruß und einem defekten Sensor, beispielsweise mit einem abgetrennten Elektrodensystem, unterschieden werden kann.
Grundsätzlich ist eine Überprüfung eines Signalkreises des Elektrodensystems durch eine ausreichend hohe Restleitfähigkeit, beispielsweise der Volumen- bzw. Oberflächenleitfähigkeit möglich. Dieses Überprüfungsverfahren ist jedoch nachteilig, da die Restleitfähigkeit über eine Lebensdauer so weit absinken kann, dass der Signalkreis des Elektrodensystems nicht mehr überwacht werden kann und insbesondere nicht mehr von einem defekten Elektrodensystem unterschieden werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Sensor zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zur Bestimmung eines Partikelgehalts eines Messgases zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere soll eine Unterscheidung zwischen einem intakten und einem defekten Sensor ermöglicht werden.
Unter Partikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind elektrisch leitfähige Teilchen zu verstehen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel. Bei der Bestimmung eines Partikelgehalts kann beispielsweise eine Partikelmasse pro Volumeneinheit, beispielsweise angegeben in kg/m³oder eine Partikelanzahl pro Volumeneinheit angegeben beispielsweise in Partikel/m³, erfasst werden. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich alternativ oder zusätzlich erfassbar.
Das Messgas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas oder Gasgemisch sein, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, beispielsweise stromabwärts eines Partikelfilters. Bei dem Messgas kann es sich deshalb insbesondere um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch und/oder ein Abgas handeln.
Der Sensor zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas weist mindestens eine Messanordnung mit mindestens zwei Elektroden sowie mindestens ein zwischen den Elektroden angeordnetes Isolatorelement auf. Aus einem Stromfluss ist zwischen den Elektroden der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar.
Unter einem Sensor kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung oder eine Kombination von Vorrichtungen verstanden werden, welche zur Bestimmung des Partikelgehalts eingerichtet sind. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um mindestens ein Messsignal zu erzeugen, welches mit dem Partikelgehalt in dem Messgas korreliert. Insbesondere kann der Sensor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Partikelsensor und aus einer Lambda-Sonde. Auch eine andere Ausgestaltung des Sensors ist jedoch grundsätzlich möglich.
Unter einer Elektrode ist allgemein ein elektrisch leitender Bereich des Sensorelements zu verstehen, welcher beispielsweise mit Strom oder Spannung beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann es sich um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln, beispielsweise eine elektrisch leitfähige Beschichtung. Beispielsweise können die Elektroden als Interdigitalelektroden ausgestaltet sein. Unter einer Interdigitalelektrode kann eine Elektrode verstanden werden, welche mindestens einen elektrisch leitenden Bereich aufweist, der mit dem elektrisch leitenden Elektrodenbereich mindestens einer sogenannten Gegenelektrode zusammenwirkt und insbesondere in diesen räumlich eingreift. Insbesondere können die Elektroden so angeordnet sein, dass sie kammförmig ineinander greifen. Grundsätzlich ist eine Abweichung von einer parallelen Anordnung der Elektroden zueinander möglich.
Unter einem Isolatorelement ist ein Element aus elektrisch nicht-leitendem Material zu verstehen. Bevorzugt weist das Isolatorelement eine geringe elektrische Restleitfähigkeit auf. Beispielsweise kann der elektrische Widerstand des Isolatorelements 1 MΩ, bevorzugt 10 MΩ, besonders bevorzugt 100 MΩ, betragen. Unter einem zwischen zwei Elektroden angeordnetem Isolatorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das Isolatorelement in mindestens einem elektrischen Pfad, der die Elektroden verbindet, angeordnet ist und/oder dass das Isolatorelement die Elektroden verbindet.
Die Elektroden weisen mindestens ein metallisches Material auf. Das metallische Material kann mindestens ein Metall umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: Platin, Palladium.
Mindestens eine der Elektroden ist als Doppelschichtelektrode ausgebildet und weist mindestens zwei Phasengrenzen auf. Unter einer Doppelschichtelektrode ist hierbei eine Elektrode zu verstehen, in welcher sich zwei entgegengesetzt geladene Ladungsschichten gegenüberstehen, beispielsweise an einer Phasengrenze, beispielsweise einer Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter. Eine Phasengrenze kann eine Phasengrenze zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Phase sein, kann jedoch auch beispielsweise eine Phasengrenze zwischen mikroskopisch verteilten Phasen sein, beispielsweise zwischen mikroskopischen Partikeln.
Eine Erste der Phasengrenze ist eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten und eine Zweite der Phasengrenze ist eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement. Bei dem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyt handeln.
Der Festelektrolyt kann vorzugsweise eine ionische Leitfähigkeit, insbesondere eine Sauerstoffion-Leitfähigkeit gewährleisten. Insbesondere kann der Festelektrolyt Zirkondioxid aufweisen. Das Zirkoniumdioxid kann mit mindestens einem Dotierelement ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Yttrium und Scandium dotiert sein. Unter einem Dotierelement kann beispielsweise eine oder mehrere Störstellen in einem Gitter des Festelektrolyten verstanden werden. Beispielsweise kann der Festelektrolyt Yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ) sein. Das Dotierelement kann, insbesondere im Falle von Yttrium, beispielsweise eine Konzentration von c_dot von 0 mol % < c_dot ≤ 8 mol % aufweisen, vorzugsweise eine Konzentration von c_dot = 3,5 mol %.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine Doppelschichtelektrode mindestens eine zweischichtige Doppelschichtelektrode mit mindestens einer metallischen Schicht des metallischen Materials und mindestens eine Festelektrolytschicht des Festelektrolyten aufweisen, wobei die Festelektrolytschicht zwischen der metallischen Schicht und dem Isolatorelement angeordnet sein kann, wobei die metallische Schicht eine elektronische Leitfähigkeit und die Festelektrolytschicht eine ionische Leitfähigkeit aufweisen kann. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht eine Dicke d_FE aufweisen, mit 0 < d_FE ≤ 200 µm, vorzugsweise 5 µm ≤ d_FE ≤ 30 µm. Die metallische Schicht kann eine Dicke d_Me aufweisen mit 0 < d_Me ≤ 200 µm, vorzugsweise 5 µm ≤ d_Me ≤ 30 µm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine Doppelschichtelektrode mindestens eine Mischelement-Doppelschichtelektrode aufweisen, wobei die Mischelement-Doppelschichtelektrode eine Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten aufweisen kann. Unter einer Mischung kann insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche sowohl Partikel des metallischen Materials als auch Partikel Festelektrolyten aufweist. Die Partikel des Festelektrolyten können beispielsweise mit Partikeln des metallischen Materials verbunden und/oder in eine Matrix des metallischen Materials eingebettet sein. Die Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten kann eine Konzentration c_FEFestelektrolyten von 0 < c_FE ≤ 60 vol % aufweisen, vorzugsweise eine Konzentration von 20 vol % ≤ c_FE ≤ 40 vol %.
Die Ausgestaltung der Elektroden des Sensors als Doppelschichtelektroden kann zu einer Erhöhung einer elektrischen Kapazität um mehrere Größenordnungen gegenüber Sensoren, in welchen Elektroden als eine Schicht aus metallischem Material ausgestaltet sind, führen. Beispielsweise kann die elektrische Kapazität C in dem Bereich von 1 µF< C < 1000 µF liegen.
Weiterhin kann der Sensor mindestens ein Heizelement aufweisen, wobei das Heizelement eingerichtet ist, um die Elektroden und/oder das Isolatorelement zu erhitzen, um angelagerte Partikel abzubauen. Unter einem Heizelement ist ein Element zu verstehen, das eingerichtet ist, um den Sensor derart zu erwärmen, dass die zwischen den Elektroden angelagerten Partikel beseitigt werden. Dies kann beispielsweise durch elektrische Energie erfolgen, welche in Joule‘sche Wärme umgewandelt wird. Beispielsweise ist das Heizelement als resistives Heizelement ausgebildet, insbesondere als Widerstandsbahn. Beispielsweise kann an das Heizelement eine elektrische Spannung angelegt werden, die zu einem Stromfluss durch die Leiterbahn des Heizelements führt. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Leiterbahn kommt es zu einer Wärmeentwicklung. Die Wärme kann dabei unter anderem an Bereiche zwischen den Elektroden, in denen sich Partikel des Messgases abgelagert haben, abgegeben werden. Dabei können Temperaturen von 700 °C oder mehr erreicht werden.
Der Sensor kann mindestens ein Substrat aufweisen. Unter einem Substrat kann eine Schicht oder ein Bauteil verstanden werden, auf welcher bzw. welchem weitere Bauteile und/oder Schichten aufgebaut werden können, insbesondere eine Trägerschicht. Das Substrat kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem keramischen Material hergestellt sein. Auch andere Substratmaterialien sind jedoch alternativ oder zusätzlich möglich, beispielsweise allgemein anorganische Substratmaterialien und/oder Halbleitermaterialien. Beispielsweise kann das Substrat ein Mehrschichtaufbau umfassen und aus mehreren Schichten, insbesondere Folien, aufgebaut sein.
Insbesondere kann das Substrat mindestens eine auf das Substrat aufgebrachte Isolatorschicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. In dieser Ausführungsform kann eine zusätzliche Isolatorschicht entfallen.
Weiterhin kann der Sensor mindestens eine Ansteuerung aufweisen, wobei die Ansteuerung eingerichtet sein kann, um eine Zeitkonstante der Messanordnung zu bestimmen, wobei die Ansteuerung weiterhin eingerichtet sein kann, um aus der Zeitkonstanten auf den Partikelgehalt zu schließen. Die Messung der Zeitkonstanten kann insbesondere eine Strom-Spannungs-Messung, eine Spannungs-Spannungs-Messung, eine Spannungs-Zeit-Messung, eine Strom-Zeit-Messung oder eine Kombination dieser Messungen umfassen, beispielsweise über einem oder mehreren Bauteilen des Sensors. Beispielsweise kann eine zeitaufgelöste Spannungsmessung über einer oder beiden der Elektroden und/oder zwischen einer der Elektroden und dem Substrat durchgeführt werden. Aus einem charakteristischen exponentiellen Anstieg oder Abfall der derart erfassten Kurve können dann nach üblichen Methoden, beispielsweise einem Anpassungsverfahren (Fit) entsprechende Parameter bestimmt werden, beispielsweise die genannte Zeitkonstante. Letztere wird häufig auch als τ bezeichnet und charakterisiert beispielsweise einen exponentiellen Abfall über einen Verlauf ~Exp[–t/ τ], wobei t die Zeit ist.
Unter einer Ansteuerung kann eine Vorrichtung oder eine Kombination von Vorrichtungen verstanden werden, die eingerichtet ist, den Sensor zu betreiben und die nachfolgend noch näher beschriebene Messung durchzuführen. Beispielsweise kann der Sensor eine Spannungsquelle und eine Strommessvorrichtung und/oder Stromquelle und Spannungsmessvorrichtung aufweisen. Das Anlegen des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung kann in Form eines kontinuierlichen Signals und/oder in Form eines zeitlich nicht-konstanten Signals, beispielsweise eines gepulsten Signals, erfolgen. Vorzugsweise kann die Ansteuerung eingerichtet sein eine zeitaufgelöste Messung durchzuführen, beispielsweise eine gepulste Messung und/oder eine Messung mit abrupter Veränderung der elektrischen Spannung oder des elektrischen Stroms. Insbesondere kann die Ansteuerung mindestens eine Strom-Spannungs-Messvorrichtung aufweisen, insbesondere eine Strom-Spannungs-Messvorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Strömen durch mindestens eine der Elektroden bei Veränderung einer Spannung zwischen den Elektroden. Insbesondere kann die Strom-Spannungs-Messvorrichtung eingerichtet sein, um eine elektrische Spannung U von 0 V < U < 1V über einen Messzeitraum t von 0 s < t < 30 s anzulegen.
Die Ansteuerung kann mindestens eine programmtechnisch eingerichtete Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, insbesondere mindestens ein Mikroprozessor. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung die Antwort der Strom-Spannungs-Messvorrichtung aufnehmen und weiterverarbeiten. Insbesondere kann die Datenverarbeitungsvorrichtung eingerichtet sein, die Zeitkonstante zu bestimmen, beispielsweise durch programmtechnische Umsetzung eines Fitverfahrens zur Anpassung einer Exponentialfunktion, wobei die Zeitkonstante als Fitparameter generiert wird.
Unter einer Zeitkonstanten ist allgemein eine charakteristische Größe zu verstehen, welche einen zeitlichen Verlauf einer Antwort eines Systems, beispielsweise des gesamten Sensors oder eines Teils desselben, beispielsweise der mindestens einen Doppelschichtelektrode, mindestens einer Elektrode und/oder beider Elektroden, auf eine Veränderung mindestens einer Eingangsgröße charakterisiert. Beispielsweise kann die Zeitkonstante einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung charakterisieren. Insbesondere kann die Zeitkonstante aus dem Verlauf einer exponentiell absinkenden Funktion bestimmt werden. Allgemein kann die Zeitkonstante das Produkt aus dem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden und der elektrischen Kapazität sein. Die Kapazität kann allgemein ein Maß für die Anzahl von Ladungsträgern sein, insbesondere ein Maß für angelagerte Partikel.
Insbesondere kann die Ansteuerung eingerichtet sein, um auf den Partikelgehalt zu schließen. Beispielsweise kann der Partikelgehalt aus einer zeitlichen Änderung einer Dicke einer Schicht aus angelagerter Partikel, insbesondere einer Rußschicht, zwischen den Elektroden bestimmt werden. Insbesondere kann der Partikelgehalt aus einer zeitlichen Änderung des gemessenen elektrischen Stromes bestimmt werden. Die zeitliche Änderung der Dicke der Schicht aus angelagerten Partikeln kann beispielsweise von einem dem Sensor vorgeschaltetem Filter abhängig sein. Die Messung der Zeitkonstanten und die Bestimmung des Partikelgehalts können beispielsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen.
Die Ansteuerung kann eingerichtet sein, um eine Fehlerdiagnose durchzuführen, wobei mindestens ein Schwellwertverfahren verwendet werden kann, wobei mindestens ein Schwellwert vorgegeben werden kann, wobei die Zeitkonstante mit dem Schwellwert verglichen werden kann, wobei, wenn die Zeitkonstante unterhalb des Schwellwerts liegt, auf ein Fehler in dem Sensor geschlossen werden kann.
Unter einer Fehlerdiagnose ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu verstehen, mit welchem Fehler, also Abweichungen von einem vorgegebenen Normalzustand, erkannt werden können. Unter einem Fehler in dem Sensor kann ein Fehler eines die Elektroden umfassenden Elektrodensystems verstanden werden, insbesondere ein Fehler aus der Gruppe bestehend aus: einer Abtrennung des Elektrodensystems, insbesondere einer mangelhaften elektrischen Kontaktierung einer oder beider Elektroden; einer Ablösung des Elektrodensystems; einer Nichtkontaktierung des Elektrodensystems. Insbesondere kann die Fehlerdiagnose als eine Eigendiagnose des Sensors ausgestaltet sein.
Unter einem Schwellwertverfahren kann ein Verfahren verstanden werden, in welchem ein Messwert, insbesondere die Zeitkonstante, mit dem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden kann. Beispielsweise kann die Zeitkonstante τ in einem Bereich 0,5 s bis 30 s liegen, insbesondere in einem Bereich 5 s bis 20 s, beispielsweise bei 10 s. Ein Ohmscher Widerstand R des Isolatorelements, auch als inverse Restleitfähigkeit bezeichnet, kann beispielsweise bei 1 MΩ bis 100 MΩ liegen, insbesondere bei 1 MΩ bis 20 MΩ, beispielsweise 10 MΩ. Dementsprechend berechnet sich die Zeitkonstante zu τ = R·C, wobei C die Kapazität des Elektrodensystems ist, die sich aus den einzelnen Kapazitäten zusammensetzt. Der Schwellwert S kann dabei insbesondere im Bereich < 1 s liegen, beispielsweise im Bereich 1 s > S > 10^–6 s. Wenn die Zeitkonstante einen Wert unter diesem Schwellwert aufweist, kann die elektrische Kapazität im pF Bereich liegen und auf einen Fehler im Elektrodensystem hinweisen. Wenn die Zeitkonstante einen Wert oberhalb dieses Schwellwerts aufweist, kann die elektrische Kapazität im µF Bereich liegen und auf ein intaktes Elektrodensystem hinweisen.
Vorteile der Erfindung
Der vorgeschlagene Sensor ermöglicht durch die Ausgestaltung der Elektroden als Doppelschichtelektroden die vorgeschlagene Fehlerdiagnose, insbesondere eine Eigendiagnose, des Sensors. Die vorgeschlagene Fehlerdiagnose ist besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zu Überprüfung eines Signalkreises des Elektrodensystems durch eine ausreichend hohe Restleitfähigkeit, die vorgeschlagene Fehlerdiagnose nur gering durch Alterungseffekt über eine Lebensdauer des Sensors beeinflusst wird. So kann eine robuste Fehlerdiagnose über die Lebensdauer des Sensors möglich sein.
Die vorgeschlagene Fehlerdiagnose ist zudem vorteilhaft, da die Bestimmung der Zeitkonstante durch die Wahl des Spannungsbereichs und einer langen Messzeitdauer auf einer Messung mit einem guten Signal-Zu-Rausch-Verhältnis beruht.
Zur Herstellung des vorgeschlagenen Sensors können insbesondere Materialsysteme und Prozesse eingesetzt werden, welche grundsätzlich bereits aus anderen technischen Gebieten bekannt sind. Insbesondere sind daher Materialien und Prozesse einsetzbar, deren Fertigungseigenschaften, beispielsweise Fertigungseigenschaften bei einem Sintern, bereits zuverlässig bekannt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 1 bis 3 dargestellt und werden nachfolgend noch näher erläutert.
Es zeigen:
1A: einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei Doppelschichtelektroden mit einer metallischen Schicht und einer Festelektrolytschicht;
1B: einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei Mischelement-Doppelschichtelektroden;
2: ein Ersatzschaltbild mit einer Ansteuervorrichtung;
3: einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung während einer Ladephase und während einer Messphase;
4 ein Ersatzschaltbild ergänzend zu 2; und
5 ein weiteres Ersatzschaltbild ergänzend zu 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein schematischer Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung 110 eines Sensors 112 mit zwei Elektroden 114 wird in 1A gezeigt. Die Elektroden 114 können jeweils als Doppelschichtelektroden 116 ausgebildet sein. Die Doppelschichtelektroden 116 können jeweils eine metallische Schicht 118 und eine Festelektrolytschicht 120 aufweisen.
Die metallische Schicht 118 kann mindestens ein Metall umfassen. Die metallische Schicht 118 kann eine Dicke d_Memit 0 < d_Me ≤ 200 µm, vorzugsweise 5 µm ≤ d_Me≤ 30 µm aufweisen. Die Festelektrolytschicht 120 kann eine Dicke d_FEvon 0 < d_FE≤ 200 µm, vorzugsweise von 5 µm ≤ d_FE≤ 30 µm, aufweisen. Die Festelektrolytschicht 120 kann einen Festelektrolyt, beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium und/oder Scandium dotiertes Zirkoniumdioxid, aufweisen. Beispielsweise kann das Zirkoniumdioxid mit Yttrium und/oder Scandium mit einer Konzentration c_dotvon 0 mol % < c_dot≤ 8 mol % dotiert sein, vorzugsweise mit einer Konzentration von c_dot= 3,5 mol %.
Zwischen den Elektroden 114 kann ein Isolatorelement 122 mit einer niedrigen Restleitfähigkeit angeordnet sein. Weiter kann der Sensor 112 ein Substrat 124 aufweisen, welches insbesondere aus einem keramischen Material hergestellt sein kann. Insbesondere kann das Isolatorelement 122 auf das Substrat 124 aufgebracht sein, beispielsweise in Form einer Isolatorschicht.
Jede Doppelschichtelektrode 116 weist in diesem Beispiel eine erste Phasengrenze 126 und eine zweite Phasengrenze 128 auf. Die erste Phasengrenze 126 kann zwischen der metallischen Schicht 118, welche eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, und der Festelektrolytschicht 120, welche eine ionische Leitfähigkeit aufweist, sein und die zweite Phasengrenze zwischen der Festelektrolytschicht 120 und dem Isolatorelement 122.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung 110 des Sensors 112 ist schematisch in 1B gezeigt. In dieser Ausführungsform können die zwei Elektroden 114 jeweils als Mischelement-Doppelschichtelektroden 130 ausgestaltet sein. Die Mischelement-Doppelschichtelektrode 130 kann eine Mischung eines metallischen Materials und eines Festelektrolyten aufweisen. Auch in dieser Ausführungsform kann die Messanordnung 110 ein auf das Substrat 124 aufgebrachtes Isolatorelement 122 aufweisen. Die Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten kann eine Konzentration c_FE des Festelektrolyten von 0 < c_FE ≤ 60 vol %, vorzugsweise eine Konzentration von 20 vol % ≤ c_FE ≤ 40 vol %, aufweisen.
Der Sensor 112 kann ferner ein Heizelement 132 aufweisen, mit dem die Elektroden 114 und/oder das Isolatorelement 122 erhitzt werden können, um angelagerte Partikel abzubauen.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Messanordnung 110. Die Elektroden 114 können als Interdigitalelektroden 134 ausgestaltet sein. Die erste Phasengrenze 126 und die zweite Phasengrenze 128 können eine faradaysche Doppelschichtkapazität darstellen und können in dem Ersatzschaltbild als Kondensatoren 136 dargestellt werden. Weiter kann der Sensor 112 eine Ansteuerung 138 aufweisen. Die Ansteuerung 138 kann eingerichtet sein, eine Strom-Spannung-Messung zwischen den Elektroden 114 durchzuführen. Grundsätzlich kann die Ansteuerung 138 eine Strom-Spannungs-Messvorrichtung 139 aufweisen, welche beispielsweise eine Spannungsquelle und eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Stromes umfasst, oder welche beispielsweise eine Stromquelle und eine Vorrichtung zur Messung der elektrischen Spannung umfasst. In 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Ansteuerung 138 die Spannungsquelle 140 und eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Stromes 142 aufweist. Weiter kann die Ansteuerung 138 eine Datenverarbeitungsvorrichtung 144 aufweisen, welche in dieser Figur nicht dargestellt ist, insbesondere einen Mikroprozessor.
Der zeitliche Verlauf t in [s] einer elektrischen Spannung U_L in [V] während einer Ladephase 146 wird in dem oberen Teil der 3 und der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung U_M in [V] während einer Messphase 148 wird in dem unteren Teil der 3 gezeigt. In der Ladephase 146 kann beginnend mit einem Zeitpunkt t₀ bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₁ die Doppelschichtkapazität über mehrere Sekunden aufgeladen werden. Insbesondere kann die Ladephase 146 von 0 s < t < 30 s andauern. Zum Zeitpunkt t₁ kann die Messphase 148 beginnen, in der die Doppelschichtkapazität nicht weiter aufgeladen wird. Die gemessene Spannung U_M sinkt mit der Zeit ab. Die Messkurve 150 zeigt den zeitlichen Verlauf für eine Messanordnung, in der die Elektroden 114 nur aus einer metallischen Schicht ausgestaltet sind. Die Messkurve 152 zeigt den zeitlichen Verlauf für die erfindungsgemäße Messanordnung 110, in der die Elektroden 114 als Mischelement-Doppelschichtelektroden 130 ausgestaltet sind. Die Messkurve 154 zeigt den zeitlichen Verlauf für die erfindungsgemäße Messanordnung 110, in der die Elektroden 114 als Doppelschichtelektroden 116 jeweils mit der metallischen Schicht 118 und der Festelektrolytschicht 120 ausgestaltet sind. Die drei gezeigten Messkurven 150, 152, 154 zeigen jeweils einen absinkenden zeitlichen Verlauf. Die Messkurve 150 fällt dabei am steilsten auf einen konstanten Wert ab und liegt im weiteren zeitlichen Verlauf der Messphase unter den Messkurven 152 und 154. Messkurve 154 fällt am langsamsten mit der Zeit ab und liegt während der gesamten Messphase über den Messkurven 150 und 152. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung kann eine Zeitkonstante bestimmt werden. Diese Zeitkonstante kann anschließend, beispielsweise durch die Ansteuerung 138, mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Liegt die Zeitkonstante beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, so kann automatisch auf einen Defekt des Sensors 112 geschlossen werden.
In 4 ist ein weiteres Ersatzschaltbild des Sensors 112 gemäß 1A gezeigt, ergänzend zu 2. Der Sensor 112 kann in diesem Ausführungsbeispiel zwei Doppelschichtelektroden 116 aufweisen, welche eine metallische Schicht 118 und eine Festelektrolytschicht 120 umfassen. Die Doppelschichtelektroden 116 können jeweils einen Anschlusswiderstand 156 aufweisen. Der Anschlusswiderstand 156 kann beispielsweise bei 1 Ω bis 100 Ω liegen, insbesondere bei 10 Ω bis 20 Ω. Die erste Phasengrenze 126 und die zweite Phasengrenze 128 können eine faradaysche Doppelschichtkapazität darstellen und werden in dem Ersatzschaltbild als Kondensatoren 136 dargestellt werden
Der ohmsche Widerstand des Isolatorelements 158, in 4 als zwei ohmsche Widerstände gezeigt, kann beispielsweise bei 1 MΩ bis 100 MΩ liegen beispielsweise kann jeder der zwei ohmschen Widerstände 50 MΩ betragen. Das Substrat 124 kann weiterhin elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Der ohmsche Widerstand des Substrat 160 ist in 4 als zwei ohmsche Widerstände dargestellt. Beispielweise kann der ohmsche Widerstand des Substrats 160 in der Größenordnung von 10 Ω bis 100 Ω sein.
Die Kapazität der faradayschen Doppelschicht kann beispielsweise in der Größenordnung 1 µF bis mehrere hundert µF liegen, insbesondere kann die Kapazität 2 µF betragen. Die elektrische Kapazität 162 der Elektroden 114 kann in der Größenordnung von einigen pF liegen. Bei einem die beiden Elektroden 114 umfassenden intakten Elektrodensystem kann, durch die im Vergleich zur elektrischen Kapazität 162 um Größenordnungen größere Kapazität der faradayschen Doppelschicht, die Zeitkonstante über dem vorgegebenen Schwellwert liegen. Liegt dagegen eine Zeitkonstante unterhalb des Schwellwert, kann die Kapazität im pF Bereich sein und auf einen Fehler im Elektrodensystem hinweisen.
Weiter zeigt 4 die Ansteuerung 138, welche eingerichtet sei kann eine Strom-Spannung-Messung durchzuführen. Die Ansteuerung kann die Strom-Spannungsmessvorrichtung 139 und die Datenverarbeitungsvorrichtung 144 aufweisen.
Ein weiteres stark vereinfachtes Ersatzschaltbild zeigt 5. Die Elektroden 114 des Sensor 112 sind ausgestaltet als Doppelschichtelektroden 116 und werden als ein Ersatz-Kondensator 164 mit faradayscher Doppelschicht dargestellt. Die Kapazität der faradayschen Doppelschicht liegt wie oben erläutert, im µF Bereich. Die elektrische Kapazität 162 der Elektroden ist als ein Kondensator gezeigt, welcher Kapazitäten im Bereich von pF aufweisen kann. Die in 4 gezeigten Anschlusswiderstände 156 und ohmsche Widerstände des Substrats 160 können in der Größenordnung von einigen Ω liegen. Die in 4 als zwei Widerstände dargestellten ohmschen Widerstände des Isolatorelements 158 können wie oben erläutert, beispielsweise im Bereich von 1 MΩ bis 100 MΩ liegen. Beispielsweise kann jeder der zwei ohmschen Widerstände 50 MΩ betragen. Somit können die Anschlusswiderstände 156 und ohmsche Widerstände des Substrats gegenüber den ohmschen Widerständen des Isolatorelements 158 vernachlässigt werden. In 5 werden die zwei ohmschen Widerstände des Isolatorelements 158 als ein Ersatz-Widerstand 166 dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6634210 B1 [0003]

Claims

Sensor (112) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Messgas, wobei der Sensor (112) mindestens eine Messanordnung (110) mit mindestens zwei Elektroden (114) sowie mindestens ein zwischen den Elektroden (114) angeordnetes Isolatorelement (122) aufweist, wobei aus einem Stromfluss zwischen den Elektroden (114) der Partikelgehalt in dem Messgas bestimmbar ist, wobei die Elektroden (114) mindestens ein metallisches Material aufweisen, wobei mindestens eine der Elektroden (114) als Doppelschichtelektrode (116) ausgebildet ist und mindestens zwei Phasengrenzen aufweist, wobei eine erste der Phasengrenzen (126) eine Phasengrenze zwischen dem metallischen Material und mindestens einem Festelektrolyten ist und wobei eine zweite der Phasengrenzen (128) eine Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und dem Isolatorelement (122) ist.
Sensor (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Doppelschichtelektrode (116) mindestens eine zweischichtige Doppelschichtelektrode mit mindestens einer metallischen Schicht (118) des metallischen Materials und mindestens einer Festelektrolytschicht (120) des Festelektrolyten aufweist, wobei die Festelektrolytschicht (120) zwischen der metallischen Schicht (118) und dem Isolatorelement (122) angeordnet ist wobei die metallische Schicht (118) eine elektronische Leitfähigkeit aufweist und wobei die Festelektrolytschicht (120) eine ionische Leitfähigkeit aufweist.
Sensor (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Festelektrolytschicht (120) eine Dicke d_FE aufweist, mit 0 < d_FE ≤ 200 µm, vorzugsweise 5 µm ≤ d_FE ≤ 30 µm.
Sensor (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Schicht (118) eine Dicke d_Me aufweist, mit 0 < d_Me ≤ 200 µm, vorzugsweise 5 µm ≤ d_Me ≤ 30 µm.
Sensor (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Doppelschichtelektrode (116) mindestens eine Mischelement-Doppelschichtelektrode (130) aufweist, wobei die Mischelement-Doppelschichtelektrode (130) eine Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten aufweist.
Sensor (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Mischung des metallischen Materials und des Festelektrolyten eine Konzentration c_FE des Festelektrolyten von 0 < c_FE ≤ 60 vol% aufweist, vorzugsweise eine Konzentration 20 vol% ≤ c_FE ≤ 40 vol%.
Sensor (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Material mindestens ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd.
Sensor (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (112) mindestens ein Substrat (124) aufweist.
Sensor (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (112) weiterhin mindestens eine Ansteuerung (138) aufweist, wobei die Ansteuerung (138) eingerichtet ist, um eine Zeitkonstante der Messanordnung (110) zu bestimmen, wobei die Ansteuerung (138) weiterhin eingerichtet ist, um auf den Partikelgehalt zu schließen.
Sensor (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ansteuerung (138) eingerichtet ist, um eine Fehlerdiagnose durchzuführen, wobei mindestens ein Schwellwertverfahren verwendet wird, wobei mindestens ein Schwellwert vorgegeben wird, wobei die Zeitkonstante mit dem Schwellwert verglichen wird, wobei, wenn die Zeitkonstante unterhalb des Schwellwerts liegt, auf einen Fehler in dem Sensor (112) geschlossen wird.