DE102016220832A1 - Sensor element for detecting particles of a measuring gas in a measuring gas chamber - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensorelement (110) zur Erfassung eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst einen Träger (112), wobei auf den Träger (112) eine erste Elektrodeneinrichtung (114) und eine zweite Elektrodeneinrichtung (116) aufgebracht sind. Die erste Elektrodeneinrichtung (114) und die zweite Elektrodeneinrichtung (116) weisen jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern (118) auf, wobei jeder Elektrodenfinger (118) der ersten Elektrodeneinrichtung (114) mit mindestens einem Elektrodenfinger (118) der zweiten Elektrodeneinrichtung (116) durch mindestens einen Abschlusswiderstand (120) verbunden ist.A sensor element (110) for detecting a measurement gas in a measurement gas space is proposed. The sensor element (110) comprises a carrier (112), wherein a first electrode device (114) and a second electrode device (116) are applied to the carrier (112). The first electrode device (114) and the second electrode device (116) each have a plurality of electrode fingers (118), wherein each electrode finger (118) of the first electrode device (114) with at least one electrode finger (118) of the second electrode device (116) at least one terminator (120) is connected.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zu Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Detektion von Rußpartikeln beschrieben.From the prior art, a plurality of sensor elements for detecting particles of a measuring gas in a measuring gas space is known. For example, the measuring gas may be an exhaust gas of an internal combustion engine. In particular, the particles may be soot or dust particles. The invention will be described below without limiting further embodiments and applications, in particular with reference to sensor elements for the detection of soot particles.
Zwei oder mehrere metallische Elektroden können auf einem elektrisch isolierenden Träger angebracht werden. Die sich unter Einwirkung einer Spannung anlagernden Teilchen, insbesondere die Rußpartikel, bilden in einer sammelnden Phase des Sensorelements elektrisch leitfähige Brücken zwischen den beispielsweise als kammartig ineinander greifende Interdigitalelektroden ausgestalteten Elektroden und schließen diese dadurch kurz. In einer regenerierenden Phase werden die Elektroden üblicherweise mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. In der Regel werten die Partikelsensoren die aufgrund der Partikelanlagerung geänderten elektrischen Eigenschaften einer Elektrodenstruktur aus. Es kann beispielsweise ein abnehmender Widerstand oder ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung gemessen werden.Two or more metallic electrodes may be mounted on an electrically insulating support. The accumulating under the action of a voltage particles, in particular the soot particles form in a collecting phase of the sensor element electrically conductive bridges between, for example, as comb-like interdigitated interdigital electrodes electrodes and close this short. In a regenerating phase, the electrodes are usually baked by means of an integrated heating element. In general, the particle sensors evaluate the changed due to the particle accumulation electrical properties of an electrode structure. For example, a decreasing resistance or current at constant applied voltage can be measured.
Nach diesem Prinzip arbeitende Sensorelemente werden im Allgemeinen als resistive Sensoren bezeichnet und existieren in einer Vielzahl von Ausführungsformen, wie z.B. aus
Aufgrund eines steigenden Umweltbewusstseins und auch zum Teil bedingt durch gesetzliche Vorschriften muss der Rußausstoß während des Fahrbetriebes überwacht und die Funktionalität der Überwachung sichergestellt werden. Diese Art der Überwachung der Funktionalität wird im Allgemeinen als On-board-Diagnose bezeichnet. Vorrichtungen und Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors sind beispielsweise aus
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So ist insbesondere die gesetzlich geforderte Eigenüberwachung des Rußsensors hinsichtlich elektrischer Funktionalität schwierig umzusetzen. Insbesondere eine kontinuierliche Überwachung, vorzugsweise mit einer fest vorgegebenen, minimalen Frequenz, wie beispielsweise eine Überwachung mit mindestens 2 Hz, stellt eine Herausforderung dar. Weiterhin können parasitäre Effekte, wie beispielsweise die Impedanz eines mitzumessenden Kabelbaums, die Eigendiagnose erschweren. Auch Ablagerungen mit unbekannten elektrischen Eigenschaften, beispielsweise auf Elektrodeneinrichtungen, können zu Überlagerungen des gewünschten Messeffektes führen. Des Weiteren können bekannte Verfahren und/oder bekannte Vorrichtungen den Nachteil haben, dass im Fehlerfall stets ein Totalausfall detektiert wird, selbst wenn die Elektrodeneinrichtung bei einem Teildefekt noch teilweise, insbesondere beispielsweise noch zu 90 %, funktionsfähig ist.Despite the advantages of the known from the prior art sensor elements for detecting particles that still contain potential for improvement. Thus, in particular the legally required self-monitoring of the soot sensor in terms of electrical functionality is difficult to implement. In particular, a continuous monitoring, preferably with a fixed predetermined minimum frequency, such as a monitoring with at least 2 Hz, presents a challenge. Furthermore, parasitic effects, such as the impedance of a wire harness to be measured, may make self-diagnosis more difficult. Even deposits with unknown electrical properties, for example on electrode devices, can lead to superpositions of the desired measurement effect. Furthermore, known methods and / or known devices may have the disadvantage that, in the event of a fault, a total failure is always detected, even if the electrode device is still partially functional, in particular for example still 90%, in the case of a partial defect.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, die Partikel qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und welche beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Ansteuereinheit und geeignet ausgestalteten Elektroden ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Partikel erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei den erfassten Partikeln kann es sich insbesondere um Rußpartikel und/oder Staubpartikel handeln. Hierbei können DC-Signale und/oder AC-Signale verwendet werden. Des Weiteren kann beispielsweise zur Signalauswertung aus der Impedanz ein resistiver Anteil und/oder ein kapazitiver Anteil verwendet werden.In the context of the present invention, therefore, a sensor element for detecting particles of a measuring gas in a measuring gas space is proposed. In the context of the present invention, a sensor element is understood to mean any device which is suitable for qualitatively and / or quantitatively detecting the particles and which can generate an electrical measurement signal corresponding to the detected particles, for example with the aid of a suitable drive unit and suitably designed electrodes for example, a voltage or a current. The detected particles may in particular be soot particles and / or dust particles. In this case, DC signals and / or AC signals can be used. Furthermore, for example, a resistive component and / or a capacitive component can be used for signal evaluation from the impedance.
Das Sensorelement kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas des Kraftfahrzeugs handeln. Auch andere Gase und Gasgemische sind grundsätzlich möglich. Bei dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen Raum handeln, in welchem das Messgas aufgenommen ist und/oder welcher von dem Messgas durchströmt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, handeln.The sensor element can be set up in particular for use in a motor vehicle. In particular, the measuring gas may be an exhaust gas of the motor vehicle. Also other gases and Gas mixtures are possible in principle. In principle, the measurement gas space can be any, open or closed space in which the measurement gas is received and / or which is flowed through by the measurement gas. For example, the measuring gas space may be an exhaust gas tract of an internal combustion engine, for example an internal combustion engine.
Das Sensorelement umfasst einen Träger, wobei auf den Träger eine erste Elektrodeneinrichtung und eine zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht sind. Die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung weisen jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern auf, wobei jeder Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen Abschlusswiderstand verbunden ist.The sensor element comprises a carrier, wherein a first electrode device and a second electrode device are applied to the carrier. The first electrode device and the second electrode device each have a plurality of electrode fingers, each electrode finger of the first electrode device being connected to at least one electrode finger of the second electrode device by at least one terminating resistor.
Unter einem Träger wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden, welches geeignet ist, die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung zu tragen, und/oder auf welches die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht werden können. Unter Elektrodeneinrichtungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich beliebige elektrische Leiter verstanden, die für eine Strommessung und/oder eine Spannungsmessung geeignet sind, und/oder welche mindestens ein mit den Elektrodeneinrichtungen in Kontakt stehendes Element mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagen können. Unter dem Begriff Elektrodenfinger wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Elektrodeneinrichtung verstanden, deren Abmessung in einer Dimension die Abmessung in mindestens einer anderen Dimension deutlich überschreitet, beispielsweise mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 3, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 5. Unter einer Mehrzahl wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Anzahl von mindestens zwei verstanden.In the context of the present invention, a carrier is basically understood to mean any substrate which is suitable for carrying the first electrode device and the second electrode device, and / or to which the first electrode device and the second electrode device can be applied. For the purposes of the present invention, electrode devices are understood in principle to be any electrical conductors which are suitable for current measurement and / or voltage measurement, and / or which can act on at least one element in contact with the electrode devices with a voltage and / or current. In the context of the present invention, the term electrode finger is basically understood to mean any shape of the electrode device whose dimension in one dimension significantly exceeds the dimension in at least one other dimension, for example at least a factor of 2, preferably at least a factor of 3, particularly preferably at least by a factor of 5. In the context of the present invention, a plurality is understood in principle to be an arbitrary number of at least two.
Unter einem Abschlusswiderstand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger elektrischer Widerstand verstanden, der mindestens einen Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung elektrisch verbindet derart, dass in Abwesenheit abgelagerter Partikel, insbesondere in Abwesenheit abgelagerter Ruß- oder Staubpartikel, bei Anlegen einer Spannung an die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung ein messbarer Strom fließt. Insbesondere kann der messbare Strom bei Anlegen einer Spannung von 5 bis 60 V während einer Betriebstemperatur des Sensorelements in einem Temperaturintervall von 50 °C bis 500 °C einen Stromwert von 0,1 µA bis 10 µA annehmen.In the context of the present invention, a terminating resistance is basically understood as meaning any electrical resistance which electrically connects at least one electrode finger of the first electrode device to at least one electrode finger of the second electrode device such that particles deposited in the absence of deposited particles, in particular in the absence of deposited soot or dust particles Applying a voltage to the first and the second electrode means between the first electrode means and the second electrode means a measurable current flows. In particular, the measurable current when applying a voltage of 5 to 60 V during an operating temperature of the sensor element in a temperature interval of 50 ° C to 500 ° C assume a current value of 0.1 uA to 10 uA.
Der mindestens eine Abschlusswiderstand kann mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der ersten Elektrodeneinrichtung und mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren. Unter einem Abschnitt eines Elektrodenfingers wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Segment eines Elektrodenfingers verstanden. Insbesondere kann der mindestens eine Abschlusswiderstand auch einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren.The at least one termination resistor may contact at least a portion of an electrode finger of the first electrode device and at least a portion of an electrode finger of the second electrode device. In the context of the present invention, a section of an electrode finger is basically understood to mean any segment of an electrode finger. In particular, the at least one terminating resistor can also touch a section or several sections or all sections of all electrode fingers of the first electrode device and a section or several sections or all sections of all electrode fingers of the second electrode device.
Der mindestens eine Abschlusswiderstand kann beispielsweise als diskretes Bauelement auf den Träger aufgebracht sein. Der mindestens eine Abschlusswiderstand kann jedoch auch als weiter unten noch näher beschriebener Dotierbereich innerhalb des Trägers ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements kann der mindestens eine Abschlusswiderstand derart ausgestaltet sein, dass in Abwesenheit abgelagerter Partikel, insbesondere in Abwesenheit abgelagerter Ruß-oder Staubpartikel, vorzugsweise bei der Betriebstemperatur des Sensorelements, ein Elektrodengesamtwiderstand in einem Bereich von 1 MΩ bis 150 MΩ, bevorzugt in einem Bereich von 2 MΩ bis 75 MΩ und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 MΩ bis 50 MΩ liegt. Unter dem Begriff des „Elektrodengesamtwiderstands“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der elektrische Widerstand des durch die erste Elektrodeneinrichtung, durch die zweite Elektrodeneinrichtung, durch den mindestens einen Abschlusswiderstand und gegebenenfalls durch weitere Bauelemente gebildeten Stromkreises verstanden. Aufgrund des geringen Widerstands der beiden Elektrodeneinrichtungen umfasst der Elektrodengesamtwiderstand in der Regel im Wesentlichen den Abschlusswiderstand oder, für den Fall, dass mehrere Abschlusswiderstände vorhanden sind, eine Summe der Abschlusswiderstände.The at least one terminating resistor can be applied to the carrier, for example, as a discrete component. However, the at least one terminating resistor can also be designed as a doping region described in more detail below within the carrier. In a particularly preferred embodiment of the sensor element according to the invention, the at least one terminating resistor can be designed such that in the absence of deposited particles, in particular in the absence of deposited soot or dust particles, preferably at the operating temperature of the sensor element, an electrode total resistance in a range of 1 MΩ to 150 MΩ , preferably in a range of 2 MΩ to 75 MΩ, and more preferably in a range of 5 MΩ to 50 MΩ. In the context of the present invention, the term "total electrode resistance" is understood to mean the electrical resistance of the circuit formed by the first electrode device, by the second electrode device, by the at least one terminating resistor and optionally by further components. Due to the low resistance of the two electrode devices, the total electrode resistance generally comprises essentially the terminating resistor or, in the case where a plurality of terminating resistors are present, a sum of the terminating resistors.
Unter dem Ausdruck „über einen Abschlusswiderstand verbunden“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass jeder Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung mittels eines Abschlusswiderstandes in elektrischem Kontakt steht.In the context of the present invention, the term "connected via a terminating resistor" basically means that each electrode finger of the first electrode device is in electrical contact with at least one electrode finger of the second electrode device by means of a terminating resistor.
Der Träger kann als Trägermaterial mindestens ein keramisches Material, umfassen. Insbesondere kann der Träger eine oxidische Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, insbesondere Al2O3, umfassen. Weitere Oxide, beispielsweise Zirkoniumoxid, sind jedoch möglich. Weiterhin kann der Träger mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen. Der Träger kann eine Trägeroberfläche aufweisen. Unter einer Trägeroberfläche wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Schicht verstanden, welche den Träger von seiner Umgebung abgrenzt, und auf welche die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung aufgebracht sind. The carrier may comprise as carrier material at least one ceramic material. In particular, the support may comprise an oxide ceramic, preferably alumina, in particular Al 2 O 3 . However, other oxides, for example zirconium oxide, are possible. Furthermore, the carrier may comprise at least one electrically insulating material. The carrier may have a carrier surface. In the context of the present invention, a carrier surface is understood basically to mean any layer which delimits the carrier from its surroundings, and to which the first and the second electrode device are applied.
Der Träger kann mindestens einen Dotierbereich umfassen, wobei der Dotierbereich mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der ersten Elektrodeneinrichtung und mindestens einen Abschnitt eines Elektrodenfingers der zweiten Elektrodeneinrichtung berührt. Insbesondere kann der Dotierbereich auch einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte oder sämtliche Abschnitte sämtlicher Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung berühren. Unter dem Begriff Berühren wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass zwei Objekte in direktem Kontakt stehen. Insbesondere können die beiden Objekte in elektrischem Kontakt stehen.The carrier may include at least one doping region, wherein the doping region contacts at least a portion of an electrode finger of the first electrode device and at least a portion of an electrode finger of the second electrode device. In particular, the doping region may also touch a portion or a plurality of portions or all portions of all the electrode fingers of the first electrode means and one or more portions or all portions of all the electrode fingers of the second electrode means. In the context of the present invention, the term touching is basically understood to mean that two objects are in direct contact. In particular, the two objects can be in electrical contact.
Unter einem Dotierbereich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Bereich des Trägers verstanden, welcher über in das Trägermaterial eingebrachte Fremdatome, insbesondere Metallatome verfügt, wobei die metallischen Fremdatome einen Teil der in dem Trägermaterial enthaltenen Metallatome ersetzen. Hierdurch kann der Dotierbereich mindestens ein dotiertes Trägermaterial umfassen, insbesondere ein mit Metalloxiden dotiertes Aluminiumoxid. Weitere Oxide sind jedoch möglich, insbesondere welche, die auch als Dotiermaterial Verwendung finden.In the context of the present invention, a doping region is understood as meaning in principle any region of the carrier which has impurities introduced into the carrier material, in particular metal atoms, the metallic impurities replacing a part of the metal atoms contained in the carrier material. As a result, the doping region may comprise at least one doped carrier material, in particular an aluminum oxide doped with metal oxides. However, other oxides are possible, especially those which are also used as doping material.
Der Träger kann somit in dem mindestens einen Dotierbereich mit einem Dotiermaterial dotiert sein, wobei das Dotiermaterial das mit den metallischen Fremdatomen versehene oxidische Trägermaterial bezeichnet. Insbesondere kann eine Konzentration des Dotiermaterials in dem mindestens einen Dotierbereich einen Wert von 1 mol-% bis 100 mol-%, bevorzugt von 10 mol-% bis 90 mol-% und besonders bevorzugt von 20 mol-% bis 80 mol-% aufweisen. In einer beosnderen Ausführung kann somit in dem Dotierbereich das Trägermaterial vollständig durch das Dotiermaterial ersetzt sein.The carrier can thus be doped in the at least one doping region with a doping material, wherein the doping material denotes the oxidic carrier material provided with the metallic impurity atoms. In particular, a concentration of the doping material in the at least one doping region can have a value of from 1 mol% to 100 mol%, preferably from 10 mol% to 90 mol% and particularly preferably from 20 mol% to 80 mol%. In a more congenial embodiment, the carrier material can thus be completely replaced by the doping material in the doping region.
Das Dotiermaterial kann bevorzugt ein Metalloxid umfassen, wobei das Dotiermaterial vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, insbesondere Fe2O3; ZrO2; Cr2O3; MgO; MnO; Sm2O3; Tb4O7; Gd2O3; Y2O3 und einer beliebigen Mischung dieser Materialien.The doping material may preferably comprise a metal oxide, wherein the doping material is preferably selected from the group consisting of iron oxide, in particular Fe 2 O 3 ; ZrO 2 ; Cr 2 O 3 ; MgO; MnO; Sm 2 O 3 ; Tb 4 O 7 ; Gd 2 O 3 ; Y 2 O 3 and any mixture of these materials.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der Träger Al2O3 und der Dotierbereich 20 mol-% bis 100 mol-% Fe2O3, bevorzugt 40 bis 80 mol-% Fe2O3 aufweisen, insbesondere da das so beschaffene keramische Mischoxid über eine geeignete elektrische Leifähigkeit verfügt.In a particularly preferred embodiment, the support Al 2 O 3 and the
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Oxide Sm2O3; Tb4O7; Gd2O3 und/oder Y2O3 zum Dotieren geeignet. Hierbei kann sich auch die Dotierung aus einer Kombination von mindestens zwei Oxiden als vorteilhaft erweisen, z.B. um einen möglichst niedrigen Temperaturgang eines elektrischen Widerstands des dotierten Trägermaterials innerhalb eines ausgewählten Temperturfensters zu realisieren. Die Konzentrationen der einzelnen Dotiermaterialien können in dem mindestens einen Dotierbereich jeweils einen Wert von 0 mol-% bis 100 mol-% aufweisen, beispielsweise kann eine Materialkombination Sm2O3/ Tb4O7 / Gd2O3 / Y2O3 im Verhältnis 25% / 50% / 0% / 25% als besonders vorteilhaft verwendet werden. Andere Verhältnisse sind jedoch möglich.In a further preferred embodiment, the oxides Sm 2 O 3 ; Tb 4 O 7 ; Gd 2 O 3 and / or Y 2 O 3 suitable for doping. Here, the doping of a combination of at least two oxides may prove to be advantageous, for example, to realize the lowest possible temperature response of an electrical resistance of the doped carrier material within a selected Temperturfensters. The concentrations of the individual doping materials can each have a value of 0 mol% to 100 mol% in the at least one doping region; for example, a material combination Sm 2 O 3 / Tb 4 O 7 / Gd 2 O 3 / Y 2 O 3 im Ratio 25% / 50% / 0% / 25% can be used as particularly advantageous. Other conditions are possible.
Eine Breite des Dotierbereichs kann in einem Bereich von 10 µm bis 2 mm, bevorzugt von 25 µm bis 500 µm und besonders bevorzugt von 50 µm bis 250 µm liegen. Weiterhin kann eine Länge des Dotierbereichs in einem Bereich von 10 µm bis 2 mm, bevorzugt von 25 µm bis 500 µm und besonders bevorzugt von 50 µm bis 250 µm liegen. Eine Dicke des Dotierbereichs kann ferner in einem Bereich von 0,1 µm bis 100 µm, bevorzugt von 1 µm bis 50 µm und besonders bevorzugt von 2 bis 20 µm liegen.A width of the doping region may be in a range from 10 μm to 2 mm, preferably from 25 μm to 500 μm and particularly preferably from 50 μm to 250 μm. Furthermore, a length of the doping region may be in a range from 10 μm to 2 mm, preferably from 25 μm to 500 μm and particularly preferably from 50 μm to 250 μm. A thickness of the doping region may further be in a range from 0.1 μm to 100 μm, preferably from 1 μm to 50 μm and particularly preferably from 2 to 20 μm.
Unter einer Breite des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige Raumdimension verstanden, welche parallel zu der Trägeroberfläche und senkrecht zu der hauptsächlichen Erstreckungsrichtung des Elektrodenfingers ist, welchen der Dotierbereich berührt. Unter einer Länge des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige Raumdimension verstanden, welche parallel zu der Trägeroberfläche und parallel zu der hauptsächlichen Erstreckungsrichtung des Elektrodenfingers ist, welchen der Dotierbereich berührt. Unter einer Dicke des Dotierbereichs wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Ausdehnung des Dotierbereichs in diejenige Raumdimension verstanden, welche sich senkrecht zu der Trägeroberfläche erstreckt.In the context of the present invention, a width of the doping region is understood as meaning in principle the expansion of the doping region into that spatial dimension which is parallel to the carrier surface and perpendicular to the main extension direction of the electrode finger which the doping region contacts. In the context of the present invention, a length of the doping region is basically understood to mean the extent of the doping region into that spatial dimension which is parallel to the carrier surface and parallel to the main direction of extent of the electrode finger the doping area touched. In the context of the present invention, a thickness of the doping region is understood as meaning in principle the expansion of the doping region into that spatial dimension which extends perpendicular to the carrier surface.
Eine elektrische Leitfähigkeit des mindestens einen Dotierbereichs kann in Abwesenheit abgelagerter Partikel in einem Temperaturintervall von 50 °C bis 500 °C in einem Bereich von 1·10-9 (Ωcm)-1 bis 10 (Ωcm)-1, vorzugsweise in einem Bereich von 1·10-8 (Ωcm)-1 bis 1·10-2 (Ωcm)-1 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1·10-7 (Ωcm)-1 bis 1·10-3 (Ωcm)-1 liegen.An electrical conductivity of the at least one doping region, in the absence of deposited particles, in a temperature interval of 50 ° C to 500 ° C in a range of 1 · 10 -9 (Ωcm) -1 to 10 (Ωcm) -1 , preferably in a range of 1 × 10 -8 (Ωcm) -1 to 1 × 10 -2 (Ωcm) -1, and more preferably in a range of 1 × 10 -7 (Ωcm) -1 to 1 × 10 -3 (Ωcm) -1 ,
Die Elektrodenfinger der ersten und/oder der zweiten Elektrodeneinrichtung können einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen. Unter einem mäanderförmigen Verlauf wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Verlauf der Elektrodeneinrichtung auf der Trägeroberfläche verstanden, der mindestens eine S-Form und/oder mindestens eine Schlangenform und/oder mindestens eine Windung aufweist. Des Weiteren können die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und die Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung kammartig ineinander greifen.The electrode fingers of the first and / or the second electrode device may have a meandering course. In the context of the present invention, a meander-shaped course is basically understood to mean any course of the electrode device on the carrier surface which has at least one S-shape and / or at least one serpentine shape and / or at least one turn. Furthermore, the electrode fingers of the first electrode device and the electrode fingers of the second electrode device can mesh in a comb-like manner.
Die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung können einen Abstand voneinander aufweisen, wobei der Abstand der Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann. Die Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung können ebenfalls einen Abstand voneinander aufweisen, wobei der Abstand der Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann. Die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung können einen Abstand von den Elektrodenfingern der zweiten Elektrodeneinrichtung aufweisen, wobei der Abstand innerhalb des Sensorelements konstant sein kann oder zumindest über einen Teil des Sensorelements variieren kann.The electrode fingers of the first electrode device may be spaced apart from one another, wherein the distance of the electrode fingers of the first electrode device within the sensor element may be constant or at least vary over a part of the sensor element. The electrode fingers of the second electrode device can likewise have a spacing from one another, wherein the distance of the electrode fingers of the second electrode device within the sensor element can be constant or at least vary over a part of the sensor element. The electrode fingers of the first electrode device can have a spacing from the electrode fingers of the second electrode device, wherein the distance within the sensor element can be constant or at least vary over a part of the sensor element.
Das Sensorelement kann mindestens zwei Abschlusswiderstände aufweisen. Die Abschlusswiderstände können unterschiedliche Werte aufweisen. Die Abschlusswiderstände können aber auch alle den gleichen Wert aufweisen. Bei unterschiedlichen Werten kann ggf. eine Fehlerzuordnung realisiert werden, welcher Bereich betroffen ist und davon abgeleitet eine Korrekturfunktion in der Ansteuereinheit realisiert werden, die eine bereichsabhängige Kompensation dieses Fehlers mit höherer Genauigkeit bei der Signalauswertung ermöglicht.The sensor element may have at least two terminating resistors. The terminating resistors can have different values. The terminating resistors can also all have the same value. At different values, if necessary, an error assignment can be realized, which area is affected and from which a correction function in the control unit can be realized, which enables an area-dependent compensation of this error with higher accuracy in the signal evaluation.
Die Abschlusswiderstände können sämtlich in einem Bereich des Sensorelements liegen, welcher auch als „kalter Bereich“ des Sensorelements bezeichnet werden kann und der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Der kalte Bereich des Sensorelements kann hierbei insbesondere eine Seite mit Anschlusskontakten zu einem Kabelbaum umafssen und typischerweise mittels einer Dichtpackung vom heißen Abgas getrennt und deshalb auch kälter sein. Die Abschlusswiderstände können jedoch zumindest teilweise in einem Bereich des Sensorelements liegen, welcher auch als „heißer Bereich“ des Sensorelements bezichnet werden kann und der von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Hier kann sich der eigentliche Messbereich der Elektroden befinden; die aufgedruckten Elektrodenzuleitungen könnne in einem Übergangsbereich angebracht sein. Weiterhin können die Abschlusswiderstände sich zumindest teilweise in einem Steuergerät befinden. Die zumindest teilweise Unterbringung der Abschlusswiderstände in dem Steuergerät ermöglicht eine im Vergleich zu außerhalb des Steuergeräts untergebrachten Abschlusswiderständen höhere Temperaturkonstanz.The terminating resistors can all lie in a region of the sensor element, which can also be referred to as the "cold region" of the sensor element and which is not acted on by the particles of the measuring gas. In this case, the cold region of the sensor element can in particular surround a side with connection contacts to a cable harness and can typically be separated from the hot exhaust gas by means of a sealing packing and therefore also be colder. However, the terminating resistors can at least partially lie in a region of the sensor element, which can also be referred to as the "hot region" of the sensor element and which is acted on by the particles of the measuring gas. Here the actual measuring range of the electrodes can be located; the printed electrode leads may be mounted in a transition region. Furthermore, the terminating resistors may be located at least partially in a control unit. The at least partial accommodation of the terminating resistors in the control unit permits a higher temperature stability compared with terminating resistors accommodated outside the control unit.
Im Falle eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit nur einem einzigen Abschlusswiderstand kann der Abschlusswiderstand in dem Steuergerät untergebracht sein. Dies ermöglicht eine im Vergleich zu einem außerhalb des Steuergeräts untergebrachten Abschlusswiderstand höhere Temperaturkonstanz. Der eine Abschlusswiderstand kann aber auch in einem Bereich des Sensorelements liegen, der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird. Weiterhin kann der eine Abschlusswiderstand auch in einem Bereich des Sensorelements liegen, der von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird..In the case of a sensor element according to the invention with only a single terminating resistor, the terminating resistor can be accommodated in the control unit. This allows a higher temperature stability compared to a terminator placed outside the controller. However, the one terminating resistor can also be located in a region of the sensor element which is not acted on by the particles of the measuring gas. Furthermore, the one terminating resistor can also be located in a region of the sensor element which is acted on by the particles of the measuring gas.
Das Sensorelement kann insbesondere als Rußpartikelsensor ausgestaltet sein. Weiterhin kann das Sensorelement in mindestens ein Schutzrohr aufgenommen sein.The sensor element can be configured in particular as a soot particle sensor. Furthermore, the sensor element can be accommodated in at least one protective tube.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.In a further aspect of the present invention, a method for producing a sensor element for detecting particles of a measurement gas in a measurement gas space is proposed, which comprises the following steps, preferably in the order given. Also a different order is possible. Furthermore, one or more or all of the method steps may also be repeated be performed. Furthermore, two or more of the method steps may also be performed wholly or partially overlapping in time or simultaneously. The method may, in addition to the method steps mentioned, also comprise further method steps.
Die Verfahrensschritte sind:
- a) Bereitstellen eines Trägers;
- b) Aufbringen einer ersten Elektrodeneinrichtung und einer zweiten Elektrodeneinrichtung auf den Träger, wobei die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweisen;
- c) Erzeugen von mindestens einem Abschlusswiderstand auf dem Träger oder in dem Träger, wobei jeder Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung mit mindestens einem Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung durch mindestens einen Abschlusswiderstand verbunden wird.
- a) providing a carrier;
- b) applying a first electrode device and a second electrode device to the carrier, wherein the first electrode device and the second electrode device have a plurality of electrode fingers;
- c) generating at least one terminating resistor on the carrier or in the carrier, wherein each electrode finger of the first electrode device is connected to at least one electrode finger of the second electrode device by at least one terminating resistor.
Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorelements verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.The method can be used in particular for producing a sensor element according to the present invention, that is to say according to one of the abovementioned embodiments or according to one of the embodiments described in more detail below. Accordingly, for definitions and optional configurations, reference may be made largely to the description of the sensor element. However, other embodiments are possible in principle.
In Schritt c) kann eine Dickschichttechnologie zur Aufbringung des Abschlusswiderstands auf den Träger verwendet werden oder es kann eine Dotierung des Trägers zur Erzeugung mindestens eines Dotierbereichs in dem Träger erfolgen. Bei einer Nutzung der Dickschichttechnologie zur Erzeugung des Abschlusswiderstands kann der Abschlusswiderstand als diskretes Bauelement auf den Träger, insbesondere auf das keramische Substrat, gedruckt werden.In step c), a thick-film technology can be used to apply the terminating resistor to the carrier, or a doping of the carrier to produce at least one doping region in the carrier can take place. When using the thick-film technology to produce the terminating resistor, the terminating resistor can be printed as a discrete component on the carrier, in particular on the ceramic substrate.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Elektrodeneinrichtungen, insbesondere der Elektrodenstruktur, kann es möglich sein, eine Eigendiagnosefähigkeit eines Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere kann es möglich sein, die Elektrodenfinger der ersten Elektrodeneinrichtung und die Elektrodenfinger der zweiten Elektrodeneinrichtung einzeln, insbesondere mit einer Frequenz von mindestens 2 Hz, zu überwachen. Insbesondere kann es möglich sein bei einem Defekt eines Elektrodenfingers oder weniger Elektrodenfinger diesen Defekt zu detektieren und das Sensorelement weiterhin auf Basis der verbleibenden, intakten Elektrodenfinger zu benutzen.The proposed device and method have numerous advantages over known devices and methods. Due to the design of the electrode devices according to the invention, in particular the electrode structure, it may be possible to improve a self-diagnostic capability of a sensor element for detecting particles of a sample gas in a sample gas space compared to the prior art. In particular, it may be possible to monitor the electrode fingers of the first electrode device and the electrode fingers of the second electrode device individually, in particular with a frequency of at least 2 Hz. In particular, it may be possible to detect this defect in the case of a defect of an electrode finger or fewer electrode fingers and to continue to use the sensor element on the basis of the remaining, intact electrode fingers.
Des Weiteren kann es möglich sein, die Genauigkeit, insbesondere die Messgenauigkeit, mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorelements gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere im Fall eines oder mehrerer defekter Elektrodenfinger, zu erhöhen. Insbesondere kann es möglich sein, bei einer Detektion eines Teildefekts eine Kompensation des Messsignals durchzuführen entsprechend der verringerten Empfindlichkeit des Sensorelements, solange diese einen Minimalwert nicht unterschreitet.Furthermore, it may be possible to increase the accuracy, in particular the measurement accuracy, by means of the sensor element according to the invention over the prior art, in particular in the case of one or more defective electrode fingers. In particular, it may be possible to carry out a compensation of the measurement signal in the case of a detection of a partial defect in accordance with the reduced sensitivity of the sensor element, as long as it does not fall below a minimum value.
Weiterhin ist es möglich, die Anzahl der Elektrodenfinger möglichst hoch zu wählen. Dadurch kann es möglich sein, im Fehlerfall eine möglichst hohe Differenzierung zwischen einem defekten Bereich und einem intakten Bereich zu erzielen. Insbesondere kann es möglich sein, dass bei einer hohen Anzahl von Elektrodenfingern der Defekt eines einzelnen Elektrodenfingers oder von wenigen Elektrodenfingern geringe Auswirkung hat. Insbesondere kann es möglich sein, den Defekt eines oder weniger Elektrodenfinger zu kompensieren, insbesondere bei geringem Empfindlichkeitsverlust.Furthermore, it is possible to select the number of electrode fingers as high as possible. This makes it possible to achieve the highest possible differentiation between a defective area and an intact area in the event of a fault. In particular, it may be possible that with a high number of electrode fingers, the defect of a single electrode finger or of a few electrode fingers has little effect. In particular, it may be possible to compensate for the defect of one or fewer electrode fingers, especially with low loss of sensitivity.
Des Weiteren können sich die Abschlusswiderstände in dem Bereich befinden, der nicht von den Partikeln des Messgases beaufschlagt wird, insbesondere in einem kalten Bereich oder kälteren Bereich des Sensorelements. Weiterhin ist es auch möglich, dass sich die Abschlusswiderstände im Steuergerät befinden, was eine hohe Temperaturkonstanz ermöglichen kann.Furthermore, the terminating resistors may be located in the region which is not exposed to the particles of the measuring gas, in particular in a cold region or colder region of the sensor element. Furthermore, it is also possible that the terminators are in the control unit, which can allow a high temperature stability.
Ferner kann es möglich sein, dass bei Verwendung der Dickschichttechnologie, insbesondere bei Verwendung einer aktuellen Dickschicht-Technologie, zur Umsetzung der Elektrodeneinrichtungen bis auf die Abschlusswiderstände keine weiteren Änderungen erforderlich sind.Furthermore, it may be possible that when using the thick-film technology, especially when using a current thick-film technology, to implement the electrode devices to the terminators no further changes are required.
Figurenliste list of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 bis3 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelements, wobei das Sensorelement in einer Draufsicht gezeigt ist; -
4 Darstellung einer Abhängigkeit eines Elektrodengesamtwiderstands bzw. eines Eigendiagnosestroms von einer Anzahl defekter Elektrodenfinger in einem Sensorelement; und -
5 bis6 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelements in einer Querschnittsansicht.
-
1 to3 various embodiments of a sensor element according to the invention, wherein the sensor element is shown in a plan view; -
4 Depicting a dependency of an electrode total resistance or a self-diagnostic current of a number of defective electrode fingers in a sensor element; and -
5 to6 various embodiments of a sensor element according to the invention in a cross-sectional view.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den
Das Sensorelement
Das Sensorelement
Der mindestens eine Abschlusswiderstand
Der Träger
Der Träger
Der Träger
Weiterhin kann das Dotiermaterial in dem mindestens einen Dotierbereich
Eine Breite b des Dotierbereichs
Die Elektrodenfinger
Das Sensorelement
Die Elektrodenfinger
Die Abschlusswiderstände
Unter einem Elektrodengesamtwiderstand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der elektrische Widerstand des durch die erste Elektrodeneinrichtung, durch die zweite Elektrodeneinrichtung, durch den mindestens einen Abschlusswiderstand und gegebenenfalls durch weitere Bauelemente gebildeten Stromkreises verstanden. Der Elektrodengesamtwiderstand kann in einem Bereich von 1 MΩ bis 150 MΩ, bevorzugt in einem Bereich von 2 MΩ bis 75 MΩ und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 MΩ bis 50 MΩ liegen. Aufgrund des geringen Widerstands der beiden Elektrodeneinrichtungen umfasst der Elektrodengesamtwiderstand in der Regel im Wesentlichen den Abschlusswiderstand oder, für den Fall, dass mehrere Abschlusswiderstände vorhanden sind, eine Summe der Abschlusswiderstände, welche im Folgenden mit Rges bezeichnet wird.In the context of the present invention, an electrode total resistance is understood as meaning the electrical resistance of the circuit formed by the first electrode device, by the second electrode device, by the at least one terminating resistor and optionally by further components. The total electrode resistance may be in a range of 1 MΩ to 150 MΩ, preferably in a range of 2 MΩ to 75 MΩ, and more preferably in a range of 5 MΩ to 50 MΩ. Due to the low resistance of the two electrode devices, the total electrode resistance in usually the terminator or, in the case where there are multiple terminators, a sum of the terminators, hereinafter referred to as R ges .
Insbesondere lässt sich ein Gesamtwiderstand Rges der vorhandenen Abschlusswiderstände
Weiterhin lässt sich der Gesamtwiderstand Rges für die in
Das Sensorelement
Zur Eigendiagnose kann zumindest zeitweise eine Messspannung zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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