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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zur 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.
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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 Sensorelementes elektrisch leitfähige Brücken zwischen den beispielsweise als kammartig ineinander greifende Interdigitalelektroden ausgestalteten Elektroden und schließen diese dadurch kurz. Es kann beispielsweise ein abnehmender Widerstand oder ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung gemessen werden. Zur Regeneration des Sensorelements nach Rußanlagerung wird das Sensorelement üblicherweise mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. Im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sind die Partikelsensoren der beschriebenen Art in der Regel in ein Schutzrohr aufgenommen, das gleichzeitig beispielsweise die Durchströmung des Partikelsensors mit dem Abgas erlaubt.
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Die als Rußsensoren ausgestalteten Sensorelemente werden üblicherweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. In der Regel beruht die Messung von Rußpartikeln auf der elektrischen Leitfähigkeit dieser Partikel. Üblicherweise werten die Partikelsensoren die aufgrund der Partikelanlagerung geänderten elektrischen Eigenschaften einer Elektrodenstruktur aus. Die nach diesem Prinzip arbeitenden Sensorelemente werden im Allgemeinen als resistive Sensoren bezeichnet und existieren in einer Vielzahl von Ausführungsformen, wie z.B. aus
DE 10 2005 053 120 A1 ,
DE 10 2006 042 362 A1 ,
DE 103 53 860 A1 ,
DE 101 49 333 A1 und
WO 2003/006976 A2 bekannt.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotential. Insbesondere spielt die Veränderung des elektromagnetischen Feldes zwischen den metallischen Elektroden durch eine Verschiebung und eine Polarisation von Ionen in dem Träger, insbesondere in der Trägerschicht, eine große Rolle. So ist es insbesondere möglich, dass sich durch eine Veränderung des elektromagnetischen Feldes auch die Partikelanlagerung verändern kann, so dass die Empfindlichkeit des Partikelsensors insgesamt stark negativ beeinflusst werden kann. In der Regel ist die Verschiebung von Ionen in den zwischen den Elektroden liegenden Bereich des Trägers, insbesondere der Trägerschicht, besonders kritisch, da das elektrische Feld in diesem Bereich typischerweise einen besonderen Einfluss auf die Partikelanlagerung hat. Weiterhin spielen die bei der Regeneration sich ansammelnden anorganischen Bestandteile des Rußes, insbesondere die Asche, eine große Rolle. In der Regel sammelt sich mit zunehmender Anzahl an Regenerationen eine stetig wachsende Anzahl von Aschepartikeln in den Zwischenräumen zwischen den Elektrodenfingern, sowie auf den Elektrodenfingern. Typischerweise beeinflussen die Aschepartikel das elektromagnetische Feld zwischen den Elektroden und dadurch die Rußanlagerung. Zusätzlich kann die Asche die Elektroden gegen den Ruß elektrisch isolieren. Weiterhin können die Aschepartikel bei bestimmten Temperaturen elektrisch leitfähig sein und zu einem unerwünschten Nebenschluss führen.
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Offenbarung der Erfindung
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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 allgemein eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum wird dementsprechend 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.
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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.
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Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung. Die erste Elektrodeneinrichtung umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern, und die zweite Elektrodeneinrichtung umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger kammartig ineinandergreifen. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht, wobei die elektrisch isolierende Trägerschicht eine Mehrzahl von Trägerschichtfingern aufweist. Die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sind jeweils zumindest teilweise auf den Trägerschichtfingern aufgebracht.
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Unter einer „Elektrodeneinrichtung“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger elektrischer Leiter verstanden, der für eine Strommessung und/oder eine Spannungsmessung geeignet ist, und/oder welcher mindestens ein mit der Elektrodeneinrichtung in Kontakt stehendes Element mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagen kann. Unter einem „Elektrodenfinger“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Elektrodeneinrichtung verstanden, deren Abmessung in einer Dimension eine 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.
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Unter einer „Trägerschicht“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Lage umfassend mindestens ein Material verstanden, welche geeignet ist, die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung zumindest teilweise zu tragen, und/oder auf welche die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung zumindest teilweise aufgebracht werden kann. Eine Ausdehnung der Trägerschicht in mindestens einer Dimension kann eine Ausdehnung der Trägerschicht in mindestens einer weiteren Dimension deutlich überschreiten, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 3, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 5. Insbesondere kann die Trägerschicht sich in zwei Dimensionen flächenhaft ausdehnen und dabei eine Dicke Ds aufweisen, wobei die Dicke Ds deutlich geringer ist als Abmessungen in Richtung der flächenhaften Ausdehnung. Unter einem „Trägerschichtfinger“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Trägerschicht verstanden, deren Abmessung in einer Dimension eine 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.
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Insbesondere können die Trägerschichtfinger die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger in ihrer Form nachbilden. So können, beispielsweise in einer Draufsicht auf eine Messoberfläche des Sensorelements, die Trägerschichtfinger und die Elektrodenfinger im Wesentlichen dieselbe Form aufweisen, wobei Strukturen in höher liegenden Schichten schmaler gestaltet sein können als in tiefer liegenden Schichten. So können beispielsweise sowohl die Trägerschichtfinger als auch die Elektrodenfinger in der Draufsicht dieselbe oder, mit leichten Dimensionsabweichungen, im Wesentlichen dieselbe Kammform aufweisen. Die Dimensionsabweichungen können beispielsweise in der Draufsicht nicht mehr als 80%, insbesondere nicht mehr als 50% oder sogar nicht mehr als 30% betragen. So können beispielsweise die Elektrodenfinger dieselbe Kammform aufweisen wie die Trägerschichtfinger, allerdings beispielsweise mit einer um 20% geringeren Strukturbreite. Mittellinien der Strukturen der Elektrodenfinger können jedoch beispielsweise auf entsprechenden Mittellinien der Strukturen der Trägerschichtfinger liegen.
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Weiterhin können die ersten Elektrodenfinger von den zweiten Elektrodenfingern durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume getrennt sein und die Trägerschichtfinger können ebenfalls durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume getrennt sein. Insbesondere können die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger in derselben Schichtebene des Sensorelements angeordnet sein. Weiterhin kann ein Abstand A zwischen einem ersten Elektrodenfinger und einem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger einen Wert von 2 bis 200 µm, bevorzugt von 5 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt von 15 bis 50 µm aufweisen. Insbesondere können die Abstände A im gesamten Sensorelement gleich sein. Die Abstände A können jedoch auch variieren. Weiterhin kann das Sensorelement insbesondere eine elektrisch isolierende Abschlussschicht aufweisen, wobei die elektrisch isolierende Abschlussschicht die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger jeweils zumindest teilweise bedeckt.
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Die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht kann eine Dicke Ds von 5 µm bis 800 µm aufweisen. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Trägerschicht mindestens eine Druckschicht umfassen, insbesondere eine Druckschicht mit einer Dicke von 5 µm bis 15 µm. Die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht kann daher in einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere eine Dicke DS von 5 µm bis 15 µm aufweisen. Die Druckschicht kann insbesonder durch ein Druckverfahren aufgebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrisch isolierende Trägerschicht auch mindestens eine Folie umfassen, insbesondere eine Folie mit einer Dicke von 300 µm bis 800 µm. Die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht kann daher in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform insbesondere eine Dicke DS von 300 µm bis 800 µm aufweisen. Weiterhin kann das Sensorelement insbesondere mindestens zwei elektrisch isolierende Trägerschichten umfassen, wobei eine Summe S der Dicken DS der elektrisch isolierenden Trägerschichten einen Wert von 10 µm bis 800 µm, bevorzugt von 10 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 30 µm aufweisen kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Sensorelement insbesondere zwei elektrisch isolierende Trägerschichten aufweisen. Insbesondere kann jede der beiden elektrisch isolierenden Trägerschichten mindestens eine Druckschicht umfassen.
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Ferner können die Trägerschichtfinger insbesondere jeweils mindestens eine Trägerschichtkontaktfläche aufweisen, wobei die Trägerschichtfinger mit den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern über die Trägerschichtkontaktfläche in Kontakt stehen. Weiterhin können die Trägerschichtfinger Trägerschichtfingerflanken aufweisen, wobei die Trägerschichtfingerflanken mit der Trägerschichtkontaktfläche einen Winkel α von 60° bis 165°, bevorzugt von 70° bis 150° und besonders bevorzugt von 80° bis 135° aufweisen können. Unter einer Trägerschichtfingerflanke kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Oberfläche des Trägerschichtfingers verstanden werden, welche parallel zu einer Vertikalen einer Messoberfläche und/oder zu einer Vertikalen der lateralen Erstreckung der Trägerschichtfinger orientiert sind. Es kann sich dabei insbesondere um Seitenwände der Trägerschichtfinger handeln, welche vertikal oder auch schräg zu einer lateralen Ausdehnung eines Schichtaufbaus des Sensorelements ausgerichtet sein können.
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Die ersten Elektrodenfinger können von den zweiten Elektrodenfingern durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume getrennt sein und die Trägerschichtfinger können ebenfalls durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume getrennt sein. Die Zwischenräume können eine Form aufweisen, wobei die Form zumindest teilweise durch die Trägerschichtfinger, insbesondere durch die Trägerschichtfingerflanken, beispielsweise durch den Winkel a, welchen die Trägerschichtfingerflanken mit der Trägerschichtkontaktfläche einschließen können, bestimmt werden kann. Die Form der Zwischenräume kann beispielsweise kastenförmig, V-förmig oder U-förmig ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen der Form der Zwischenräume sind möglich.
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Ferner kann das Sensorelement insbesondere mindestens eine Substratschicht aufweisen, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht zumindest teilweise auf der Substratschicht aufgebracht ist. Unter einer „Substratschicht“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Lage verstanden, welche geeignet ist, die elektrisch isolierende Trägerschicht zu tragen, und/oder auf welche die elektrisch isolierende Trägerschicht zumindest teilweise aufgebracht werden kann. Insbesondere kann die Substratschicht elektrisch leitfähig sein. Insbesondere kann die Substratschicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Die Substratschicht kann aber auch elektrisch isolierend sein. Insbesondere kann die Substratschicht mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen, vorzugsweise ein keramisches, elektrisch isolierendes Material. Ferner kann das Sensorelement insbesondere mindestens zwei Substratschichten umfassen. Hierbei kann mindestens eine der beiden Substratschichten elektrisch isolierend sein. Weiterhin kann das Sensorelement eine Mehrzahl von Substratschichten umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement mehr als zwei Substratschichten, beispielsweise drei Substratschichten, fünf Substratschichten oder auch noch weitere Substratschichten, umfassen.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement kann insbesondere gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen oder auch gemäß einer der nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsformen gestaltet sein. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, 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.
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Die Verfahrensschritte sind:
- a) Bereitstellen mindestens einer elektrisch isolierenden Trägerschicht;
- b) Aufbringen mindestens einer elektrisch leitfähigen Schicht auf die elektrisch isolierende Trägerschicht;
- c) Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schicht in die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung, wobei die erste Elektrodeneinrichtung die Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern umfasst, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung die Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern umfasst; und
- d) Strukturieren der elektrisch isolierenden Trägerschicht in die Mehrzahl von Trägerschichtfingern, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sich jeweils zumindest auf den Trägerschichtfingern befinden.
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Insbesondere kann das Strukturieren der elektrisch isolierenden Trägerschicht in Schritt d) vorzugsweise derart erfolgen, dass die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sich vollständig auf den Trägerschichtfingern befinden. Weiterhin kann das Verfahren insbesondere ein Bereitstellen mindestens einer Substratschicht umfassten, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht in Schritt b) auf die Substratschicht aufgebracht wird. Ferner kann in den Schritten c) und d) ein Laserstrukturierungsverfahren zum Einsatz kommen. Weiterhin kann insbesondere in Schritt c) dem Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schicht ein Sinterprozess vorausgehen. Weiterhin können insbesondere die Verfahrensschritte c) und d) gleichzeitig durchgeführt werden, insbesondere durch ein gemeinsames Ätzverfahren und/oder ein Laserstrukturierungsverfahren.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement kann wiederum insbesondere gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen oder auch gemäß einer der nachfolgend noch näher dargestellten Ausführungsformen gestaltet sein. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, 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.
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Die Verfahrensschritte sind:
- a) Bereitstellen der Mehrzahl von elektrisch isolierenden Trägerschichtfingern; und
- b) Bereitstellen der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung, wobei die erste Elektrodeneinrichtung die Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern umfasst, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung die Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern aufweist, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sich jeweils zumindest teilweise auf den Trägerschichtfingern befinden.
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Insbesondere kann das Bereitstellen der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung in Schritt b) vorzugsweise derart erfolgen, dass die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sich vollständig auf den Trägerschichtfingern befinden. Weiterhin kann in Schritt a) zur Bereitstellung der Trägerschichtfinger mindestens ein Verfahren verwendet werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Druckverfahren; einem Dickschichtverfahren; einem Dünnschichtverfahren. Ferner können in Schritt b) insbesondere die ersten und zweiten Elektrodenfinger auf die Trägerschichtfinger aufgebracht werden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Sensorelement und die beschriebenen Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Sensorelementen und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. So kann es möglich sein, dass bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement aufgrund der Trägerfinger und der sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräume, welche sich zwischen den Elektrodenfingern in einer Schichtebene unter den Elektrodenfingern befinden können und welche insbesondere als tief eingeschnittenes Gap bezeichnet werden können, keine oder eine im Vergleich zum Stand der Technik reduzierte lonenleitung in die Zwischenräume gegeben ist. Weiterhin kann es durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements möglich sein, beispielsweise durch das Laserstrukturierungsverfahren, beispielsweise durch eine geeignete Wahl von Prozessparametern bei einem Laserabtrag, den Winkel α, insbesondere eine Steilheit von Flanken der Trägerfinger und/oder der Elektrodenfinger, zu variieren und/oder gezielt einzustellen, um ein elektrisches Feld, insbesondere ein durch eine Beaufschlagung der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung mit einer Spannung oder einem Strom erzeugtes elektrisches Feld, zu optimieren. Es kann dadurch möglich sein, dass Gebiete, in welche Ionen wandern können gezielt beeinflusst werden können. Es kann daher möglich sein, dass ein erfindungsgemäßes Sensorelement über eine Lebenszeit des Sensorelements, insbesondere des Sensors, ein konstantes oder ein gegenüber dem Stand der Technik stabileres elektrisches Feld und damit eine gegenüber dem Stand der Technik stabilere Empfindlichkeit aufweist.
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Weiterhin kann es bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement möglich sein, nach einer Regeneration des Sensorelements verbleibende Aschen in den sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräumen, insbesondere außerhalb von für eine Rußanlagerung relevanten Bereichen, zu deponieren. Ferner kann es bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement möglich sein, dass durch ein Bereitstellen von den sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräumen, insbesondere von mehr Volumen im Gap, im Vergleich zum Stand der Technik mehr Asche angesammelt werden kann. Es ist möglich, dass auch bei größeren, über die Lebensdauer des Sensorelements angesammelten Aschemengen Agglomerate von den Aschen nicht oder im Vergleich zum Stand der Technik deutlich weniger in die für eine Rußanlagerung relevanten Bereiche des elektrischen Feldes hineinragen. Es ist möglich, dass das elektrische Feld, von Ascheablagerung im Vergleich zum Stand der Technik weitestgehend unbeeinflusst bleibt. Es ist möglich, dass sich eine negative Beeinflussung einer Rußmassenbestimmung über die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Sensorelements gegenüber dem Stand der Technik reduziert, insbesondere minimiert, wird. Weiter kann es möglich sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement potentielle Nebenschlüsse minimiert oder im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden können, insbesondere da sich unerwünschte elektrisch leitfähige Partikel, die so klein sind, dass sie die sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräumen, insbesondere das Gap, nicht überbrücken, in den sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräumen ablagern können und sich nicht oder im Vergleich zum Stand der Technik weniger häufig zu einem leitfähigen Pfad kumulieren können.
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Weiterhin kann es bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement möglich sein, dass Rußpfade freischwebend von einem der ersten Elektrodenfinger zu einem der zweiten Elektrodenfinger, insbesondere von einer Elektrode zur anderen, wachsen statt, wie insbesondere im Stand der Technik möglich, nicht freischwebend sondern aufliegend auf einer Schichtebene unterhalb der ersten Elektrodeneinrichtung und/oder der zweiten Elektrodeneinrichtung. Es kann daher bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement möglich sein, dass bei der Regeneration die im Ruß enthaltenen Aschen von einem Abgasstrom im Vergleich zum Stand der Technik leichter mitgerissen werden und sich nicht oder im Vergleich zum Stand der Technik seltener auf einer der ersten Elektrodeneinrichtung und/oder zweiten Elektrodeneinrichtung ablagern. Weiterhin ist es möglich, dass die Rußpfade nicht Ablagerungen in den sich aus den Trägerfingern ergebenden Zwischenräumen, insbesondere im Gap, überbrücken oder überwinden müssen.
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Weiterhin das erfindungsgemäße Sensorelement mit vorhandenen Herstellungstechnologien hergestellt werden. Insbesondere lässt sich die Herstellung dadurch kostengünstig gestalten. So können beispielsweise übliche Halbleiterstrukturierungsverfahren und/oder Laserstrukturierungsverfahren auch problemlos zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements in einer der gezeigten Ausführungsformen verwendet werden.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind.
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Sensorelement in einer perspektivischen Darstellung;
- 2A bis 3 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelements in einer Querschnittsansicht mit Trägerschichtfingern mit Trägerschichtfingerflanken, wobei die Trägerschichtfingerflanken mit einer Trägerschichtkontaktfläche einen Winkel α von 90° aufweisen (2A und 2B) oder von größer als 90° (3) aufweisen;
- 4A und 4B weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorelements in einer Querschnittsansicht, wobei das Sensorelement eine elektrisch isolierende Abschlussschicht aufweist; und
- 6A und 6B Ausschnitte einer Querschnittsansicht dreier weiterer erfindungsgemäßer Sensorelemente mit einer freischwebenden Rußbrücke (5) und mit besonderem Augenmerk auf einer Form eines Zwischenraums zwischen zwei Trägerschichtfingern (6A und 6B).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110 zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum gezeigt. Das Sensorelement 110 umfasst mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung 112 und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung 114. Die erste Elektrodeneinrichtung 112 umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern 116 und die zweite Elektrodeneinrichtung 114 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern 118. Die ersten Elektrodenfinger 116 und die zweiten Elektrodenfinger 118 greifen kammartig ineinander. Weiterhin umfasst das Sensorelement 110 mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht 120, wobei die elektrisch isolierende Trägerschicht 120 eine Mehrzahl von Trägerschichtfingern 122 aufweist, welche in dieser Darstellung nicht erkennbar sind und welche anhand der nachfolgenden Beispiele unten noch näher erläutert werden. Die ersten Elektrodenfinger 116 und die zweiten Elektrodenfinger 118 sind jeweils zumindest teilweise auf den Trägerschichtfingern 122 aufgebracht.
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Wie in den Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen des Sensorelements 110 in den 2A bis 6B zu sehen, können die ersten Elektrodenfinger 116 von den zweiten Elektrodenfingern 118 durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume 124 getrennt sein und die Trägerschichtfinger 122 können ebenfalls durch mit dem Messgas verbundene Zwischenräume 124 getrennt sein. Insbesondere können die ersten Elektrodenfinger 116 und die zweiten Elektrodenfinger 118 in derselben Schichtebene 126 des Sensorelements 110 angeordnet sein, wie ebenfalls in den 2A bis 6B gezeigt. Weiterhin kann ein Abstand A zwischen einem ersten Elektrodenfinger 116 und einem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger 118 einen Wert von 2 bis 200 µm, bevorzugt von 5 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt von 15 bis 50 µm aufweisen. Insbesondere können die Abstände A im gesamten Sensorelement 110 gleich sein, wie beispielsweise in den 1 bis 4B gezeigt. Die Abstände A können jedoch auch variieren (in den Figuren nicht gezeigt). Wie beispielsweise in den 3, 4A und 4B zu sehen, kann es möglich sein, dass sich Rußpartikel oder auch andere Partikel, beispielsweise elektrisch leitfähige oder auch elektrisch nicht leitfähige Fremdkörper, an die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung oder an die elektrisch isolierende Abschlussschicht anlagern.
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Die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht 120 kann eine Dicke Ds von 5 µm bis 800 µm aufweisen, wie beispielsweise in den 2A bis 6B gezeigt. Insbesondere kann das Sensorelement 110 mindestens zwei elektrisch isolierende Trägerschichten 120 umfassen, wie in den 5 bis 6B zu sehen ist. Dabei kann eine Summe S der Dicken Ds der elektrisch isolierenden Trägerschichten 120 einen Wert von 10 µm bis 800 µm, bevorzugt von 10 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 30 µm aufweisen. Ferner können die Trägerschichtfinger 122 insbesondere jeweils mindestens eine Trägerschichtkontaktfläche 128 aufweisen, wobei die Trägerschichtfinger 122 mit den ersten Elektrodenfingern 116 und den zweiten Elektrodenfingern 118 über die Trägerschichtkontaktfläche 128 in Kontakt stehen. Die Trägerschichtfinger 122 können Trägerschichtfingerflanken 130 aufweisen. Die Trägerschichtfingerflanken 120 können mit der Trägerschichtkontaktfläche 128 einen Winkel α von 90° bis 165°, bevorzugt von 90° bis 150° und besonders bevorzugt von 90° bis 135° aufweisen. Beispielsweise können die Trägerschichtfingerflanken 120 mit der Trägerschichtkontaktfläche 128 einen Winkel α von 90° aufweisen, wie in den 2A, 2B und 4A gezeigt. Die 3, 4B und 6B zeigen beispielhaft Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorelements 110 mit einem Winkel α zwischen den Trägerschichtfingerflanken 120 und der Trägerschichtkontaktfläche 128 von größer als 90°.
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Das Sensorelement 110 kann insbesondere mindestens eine Substratschicht 132 aufweisen, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Trägerschicht 120 zumindest teilweise auf der Substratschicht 132 aufgebracht ist, wie in den 2A bis 6B zu sehen. Insbesondere kann die Substratschicht 132 eine elektrisch leitfähige 134 Substratschicht 132 sein, wie im Ausführungsbeispiel in 2B dargestellt. Die Substratschicht 132 kann aber auch elektrisch isolierend sein. Ferner kann das Sensorelement 110 insbesondere mindestens zwei Substratschichten 132 umfassen, wie in 5 gezeigt. Hierbei kann mindestens eine der beiden Substratschichten elektrisch isolierend sein. Das Sensorelement 110 kann aber auch mehr als zwei Substratschichten 132, beispielsweise drei Substratschichten 132, fünf Substratschichten 132 oder auch noch weitere Substratschichten 132, umfassen (in den Figuren nicht gezeigt).
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Das Sensorelement 110 kann weiterhin insbesondere eine elektrisch isolierende Abschlussschicht aufweisen, wobei die elektrisch isolierende Abschlussschicht die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger jeweils zumindest teilweise bedeckt.
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Die 5, 6A und 6B zeigen Ausschnitte einer Querschnittsansicht dreier weiterer erfindungsgemäßer Sensorelemente 110. 5 zeigt weiterhin eine freischwebenden Rußbrücke 138 zwischen einem der ersten Elektrodenfinger 116 und einem der zweiten Elektrodenfinger 118, wobei die freischwebende Rußbrücke 138 Rußpartikel 140 und Aschepartikel 142 umfasst. Weiterhin zeigt 5 Aschepartikel 142, welche sich, beispielsweise nach einer Regeneration des Sensorelements 110, in einem der sich aus den Trägerfingern 122 ergebenden Zwischenräumen 124 ablagern können. Auch die 6A und 6B zeigen die sich aus den Trägerfingern 122 ergebenden Zwischenräumen 124, wobei eine Form 144 der Zwischenräume 124 variieren kann. 6A zeigt, wie auch die 2A, 2B und 4A, beispielhaft einen der Zwischenräume 124 mit einer kastenförmiger Form 144, während 6B beispielhaft einen der Zwischenräume 124 mit einer U-förmigen Form 144 zeigt und die 3 und 4B beispielhaft die Zwischenräume 124 mit einer V-förmigen Form 144 zeigen. Auch weitere, insbesondere weitere in den Figuren nicht gezeigte, Ausgestaltungen der Form 144 der Zwischenräume 124 sind möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053120 A1 [0003]
- DE 102006042362 A1 [0003]
- DE 10353860 A1 [0003]
- DE 10149333 A1 [0003]
- WO 2003/006976 A2 [0003]
