DE102017209392A1

DE102017209392A1 - Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102017209392A1
Application number: DE102017209392.7A
Authority: DE
Inventors: Enno Baars; Carolin Maria Schilling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Es wird ein Sensorelement (112) zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement (112) umfasst mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung (116) und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung (118). Die erste Elektrodeneinrichtung (116) umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (120), und die zweite Elektrodeneinrichtung (118) umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (122), wobei die ersten Elektrodenfinger (120) und die zweiten Elektrodenfinger (118) kammartig ineinandergreifen. Weiterhin umfasst das Sensorelement (112) mindestens eine Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten (124), wobei die ersten Elektrodenfinger (120) und die zweiten Elektrodenfinger (122) jeweils zumindest teilweise auf der Schicht des Festkörperelektrolyten (124) aufgebracht sind.

Description

Stand der Technik
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.
Zwei oder mehrere metallische Elektroden können auf einem elektrisch isolierenden Träger angebracht sein. 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 ineinandergreifende 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.
Nach diesem Prinzip arbeitende 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 103 19 664 A1 , DE10 2004 0468 82A1 , DE 10 2006 042 362 A1 , DE 103 53 860 A1 , DE 101 49 333 A1 und WO 2003/006976 A2 bekannt. Die als Rußsensoren ausgestalteten Sensorelemente werden üblicherweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. 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.
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 DE 10 2009 028 239 A1 , DE 10 2009 028 283 A1 , DE 2007 046 096 A1 , DE 10 2006 042 605 A1 und US 2012/0119759 A1 bekannt.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So wird in der Regel in der Eigendiagnose des Sensorelements lediglich das Vorhandensein der, beispielsweise als kammartig ineinandergreifende Interdigitalelektroden ausgestalteten, Elektroden nachgewiesen. Typischerweise erlaubt eine bei Regenerationstemperatur elektrisch oder ionisch leitfähige Schicht eine Messung eines Stroms zwischen den Elektroden während der Regeneration. Diese Form der Eigendiagnose kann jedoch in der Regel nicht überprüfen, ob die Elektroden ganz oder teilweise abgedeckt oder beispielsweise von Ablagerungen überlagert und damit für Rußpartikel nicht mehr zugänglich sind.
Offenbarung der Erfindung
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.
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.
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. Weiterhin umfasst das Sensorelement mindestens eine Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger jeweils zumindest teilweise auf der Schicht des Festkörperelektrolyten aufgebracht sind.
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. Unter einer „Schicht“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Lage umfassend mindestens ein Material verstanden, deren Ausdehnung in mindestens einer Dimension eine Ausdehnung in mindestens einer weiteren Dimension deutlich überschreitet, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 3, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 5. Insbesondere kann die Schicht sich in zwei Dimensionen flächenhaft ausdehnen und dabei eine Höhe h aufweisen, wobei eine Abmessung der Höhe h deutlich geringer ist als Abmessungen in Richtung der flächenhaften Ausdehnung. Unter einem „Festkörperelektrolyt“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Feststoff verstanden, der mindestens eine lonensorte leiten kann. Die lonensorte kann insbesondere so beweglich sein, dass ein durch Ionen der lonensorte getragener elektrischer Strom fließen kann.
Der Festkörperelektrolyt kann aktivierbar sein, insbesondere thermisch. Insbesondere kann die Fähigkeit zur signifikanten lonenleitung erst bei einer Erwärmung des Festkörperelektrolyten einsetzen. Hierbei kann eine lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten in einem Betriebstemperaturbereich des Sensorelements geringer sein als in einem Regenerationstemperaturbereich, wobei Betriebstemperaturen des Betriebstemperaturbereichs niedriger sein können als Regenerationstemperaturen des Regenerationstemperaturbereichs. Unter dem Begriff „aktivierbar“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass ein Objekt mindestens eine Eigenschaft aufweist, welche sich durch mindestens einen äußeren Parameter, wie z.B. eine Temperatur oder einen Druck, beeinflussen oder verändern lässt. Insbesondere kann diese Eigenschaft die lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten sein. Insbesondere kann die lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten durch die Temperatur aktivierbar sein.
Unter einem „Betriebstemperaturbereich“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Temperaturbereich verstanden, der Temperaturen umfasst, bei denen das Sensorelement die Partikel, insbesondere die Rußpartikel oder die Staubpartikel, des Messgases in dem Messgasraum erfassen kann, beispielsweise in Form von Partikelbrücken zwischen mindestens einem ersten Elektrodenfinger und mindestens einem zweiten Elektrodenfinger. Unter einem „Regenerationstemperaturbereich“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Temperaturbereich verstanden, der Temperaturen umfasst, bei denen die Partikel, insbesondere die Rußpartikel oder die Staubpartikel, insbesondere an das Sensorelement angelagerte, beispielsweise in Form von den Partikelbrücken angelagerte, Rußpartikel oder Staubpartikel verbrannt werden. Unter einer „Betriebstemperatur“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Temperatur verstanden, welche in den Betriebstemperaturbereich fällt. Unter einer „Regenerationstemperatur“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Temperatur verstanden, welche in den Regenerationstemperaturbereich fällt. Unter einer „Partikelbrücke“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine kettenförmige Anordnung von den Partikeln verstanden, wobei die kettenförmige Anordnung mindestens einen der ersten Elektrodenfinger mit mindestens einem der zweiten Elektrodenfinger verknüpft, insbesondere leitfähig verknüpft. Die lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten kann in dem Regenerationstemperaturbereich mindestens eine Größenordnung größer sein als in dem Betriebstemperaturbereich. Insbesondere kann die lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten in dem Regenerationstemperaturbereich die lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten in dem Betriebstemperaturbereich um mindestens einen Faktor zwei, vorzugsweise um mindestens einen Faktor fünf, mehr vorzugsweise um mindestens einen Faktor zehn, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 15 übersteigen. Insbesondere kann der Betriebstemperaturbereich im Bereich von 80 °C bis 500 °C liegen, und der Regenerationstemperaturbereich kann im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegen.
Ein Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger und einem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger kann einen Wert von 5 µm bis 200 µm, vorzugsweise von 10 µm bis 100 µm aufweisen. Der Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger und dem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger kann von den Partikeln bei der Betriebstemperatur durch elektrisch leitfähige Partikelbrücken überbrückbar sein. Ein bei Anlegen einer Betriebsspannung an die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung bei der Betriebstemperatur über die Partikelbrücken fließender Brückenstrom kann um mindestens eine Größenordnung größer sein als ein in Abwesenheit von den Partikelbrücken bei derselben Betriebstemperatur und bei Anlegen derselben Betriebsspannung an die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung über die Schicht des Festkörperelektrolyten fließender Schichtstrom. Insbesondere kann der Brückenstrom unter den gerade beschriebenen Bedingungen den Schichtstrom um mindestens einen Faktor fünf, vorzugsweise um mindestens einen Faktor zehn, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 15 übersteigen.
Das Sensorelement kann ein keramisches Sensorelement sein, insbesondere kann das Sensorelement mindestens ein keramisches Material umfassen. Das Sensorelement kann mindestens einen Träger umfassen, wobei die mindestens eine Schicht des mindestens einen Festkörperelektrolyten auf den Träger aufgebracht sein kann. Unter einem „Träger“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden, welches geeignet ist, den Festkörperelektrolyten zu tragen, oder auf welches der Festkörperelektrolyt aufgebracht werden kann. Insbesondere kann der Träger mindestens ein isolierendes Material umfassen. Auch ein Träger anderer Materialien ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise ein Festelektrolyt-Träger. Insbesondere kann der Träger mindestens ein keramisches Material umfassen. Insbesondere kann der Träger als Trägerfolie ausgestaltet sein.
Der Festkörperelektrolyt kann mindestens einen Elektrolyten umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Sauerstoffionenleiter; einem Wasserstoffionenleiter. Unter einem „Sauerstoffionenleiter“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Feststoff verstanden, der Sauerstoffionen leiten kann, die beispielsweise so beweglich sein können, dass durch den Feststoff ein durch Sauerstoffionen, insbesondere O^2-, getragener elektrischer Strom fließen kann. Unter einem „Wasserstoffionenleiter“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dementsprechend grundsätzlich ein beliebiger Feststoff verstanden, der Wasserstoffionen leiten kann, die beispielsweise so beweglich sein können, dass durch den Feststoff ein durch Wasserstoffionen, insbesondere Protonen, H⁺, getragener elektrischer Strom fließen kann.
Der Festkörperelektrolyt kann insbesondere Zirkoniumoxid umfassen. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Calciumoxid-dotiertem Zirkoniumoxid; Calcium-Titan-dotiertem Zirkoniumoxid; Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid; Lanthan-dotiertem Aluminiumoxid; Calcium-dotiertem Aluminiumoxid; einer Legierung umfassend Lanthan- und Strontiumoxid, insbesondere einer Legierung aus Lanthan- und Strontiumoxid; einer Legierung umfassend Calcium-dotiertes Gadoliniumoxid, insbesondere einer Legierung aus Calcium-dotiertem Gadoliniumoxid. Auch andere Materialien sind denkbar, beispielsweise dotiertes Wolframoxid. Auch weitere Materialien, insbesondere anders dotiertes Zirkoniumoxid oder anders dotiertes Aluminiumoxid, sind möglich.
Die mindestens eine Schicht des mindestens einen Festkörperelektrolyten kann eine Dicke D_F von 1 µm bis 1 mm, vorzugsweise von 5 µm bis 50 µm aufweisen. Die Schicht des Festkörperelektrolyten kann mit den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern jeweils zumindest teilweise in direktem Kontakt stehen. Insbesondere kann die Schicht des Festkörperelektrolyten mit den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern jeweils zumindest teilweise in elektrischem Kontakt stehen.
Die ersten Elektrodenfinger können jeweils über mindestens eine erste Elektrodenfingeroberfläche und die zweiten Elektrodenfinger können jeweils über mindestens eine zweite Elektrodenfingeroberfläche jeweils zumindest teilweise mit dem Messgas in Kontakt stehen. Unter einer „Elektrodenfingeroberfläche“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Schicht des Elektrodenfingers verstanden, welche den Elektrodenfinger gegen seine Umgebung abgrenzt. Die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger können Platin umfassen. Die ersten Elektrodenfinger können eine Dicke D₁ von 1 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 20 µm und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm aufweisen. Die zweiten Elektrodenfinger können eine Dicke D₂ von 1 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 20 µm und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm aufweisen.
Insbesondere können die Dicke D₁ der ersten Elektrodenfinger und die Dicke D₂ der zweiten Elektrodenfinger gleich sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einen Messgasraum vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Sensorelement, beispielsweise nach einer oder mehrerer der oben beschrieben Ausgestaltungen oder nach einer oder mehrerer der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann bezüglich möglicher Definitionen und Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung auf die Beschreibung des Sensorelements verwiesen werden.
Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung. Unter einer Steuerung ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektronische Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens eine Funktion der Sensorvorrichtung ausführen, ansteuern oder auswerten kann. Die Steuerung kann insbesondere mindestens eine Messvorrichtung und/oder mindestens eine elektrische Energiequelle aufweisen. Weiterhin kann die Steuerung mindestens einen Prozessor oder Schaltkreis aufweisen, welcher eine Steuerungsfunktion und/oder Auswertungsfunktion mindestens eines mit dem Sensorelement erzeugten Messsignals ausüben kann.
Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Sensorelement in mindestens zwei Ansteuerungsmodi zu betreiben, wobei die Ansteuerungsmodi mindesten einen Betriebsmodus und mindestens einen Eigendiagnosemodus umfassen. Hierbei kann in dem Betriebsmodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern aufgrund von den Partikelbrücken fließender Strom erfasst werden, und in dem Eigendiagnosemodus kann ein zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern durch den Festkörperelektrolyten fließender lonenstrom erfasst werden. Weiterhin kann die Steuerung eingerichtet sein, um das Sensorelement während der Durchführung des Eigendiagnosemodus auf eine höhere Temperatur zu beheizen als während der Durchführung des Betriebsmodus. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um das Sensorelement während der Durchführung des Eigendiagnosemodus bei einer Temperatur von 550 °C bis 900 °C zu betreiben. Weiterhin kann die Steuerung insbesondere eingerichtet sein, um das Sensorelement während der Durchführung des Betriebsmodus bei einer Temperatur von 80 °C bis 500 °C zu betreiben. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung mindestens eine Heizvorrichtung zur Beheizung des Sensorelements aufweisen. Die Steuerung kann beispielsweise mit der Heizvorrichtung verbunden sein und diese beispielsweise, je nach Modus, mit einem entsprechenden Heizstrom betreiben, um die gewünschte Temperatur in dem Sensorelement zu erzielen, insbesondere einzustellen oder zu regeln. Weiterhin kann die Steuerung mindestens eine Strommessvorrichtung zur Messung mindestens eines Stroms zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern aufweisen.
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.
Die Verfahrensschritte sind:

a) Bereitstellen mindestens eines Trägers;
b) Aufbringen mindestens einer Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten auf den Träger; und
c) Aufbringen mindestens einer ersten Elektrodeneinrichtung und mindestens einer zweiten Elektrodeneinrichtung auf die Schicht des Festkörperelektrolyten, wobei die erste Elektrodeneinrichtung eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern umfasst, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern umfasst, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger kammartig ineinandergreifen.

Insbesondere kann in Schritt b) das Aufbringen der Schicht des Festkörperelektrolyten durch mindestens ein Verfahren durchgeführt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Siebdruck-Verfahren; einem Keramikspritzguss-Verfahren. Insbesondere kann in dem Siebdruck-Verfahren eine Trägerfolie bedruckt werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren 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.
Die Verfahrensschritte sind:

a) Bereitstellen mindestens eines Sensorelements nach einem der vorhergehenden, ein Sensorelement betreffenden Ansprüche;
b) Betreiben des Sensorelements in mindestens einem Betriebsmodus, wobei in dem Betriebsmodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern aufgrund von Partikelbrücken fließender Strom erfasst wird; und
c) Betreiben des Sensorelements in mindestens einem Eigendiagnosemodus, wobei in dem Eigendiagnosemodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern durch den Festkörperelektrolyten fließender lonenstrom erfasst wird.

Insbesondere kann das Sensorelement während der Durchführung des Eigendiagnosemodus auf eine höhere Temperatur beheizt werden als während der Durchführung des Betriebsmodus. Weiterhin kann das Sensorelement während der Durchführung des Eigendiagnosemodus insbesondere vorzugsweise bei einer Temperatur von 550 °C bis 900 °C betrieben werden, und das Sensorelement kann während der Durchführung des Betriebsmodus insbesondere vorzugsweise bei einer Temperatur von 80 °C bis 500 °C betrieben werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement und die beschriebenen Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Sensorelementen und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. So kann es möglich sein, mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorelements zu überprüfen, ob die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung, insbesondere die Elektronenstruktur, abgedeckt, insbesondere passiviert, sind und dadurch keine zum Messgas offene erste Elektrodenfingeroberfläche und/oder keine zum Messgas hin offene zweite Elektrodenfingeroberfläche aufweisen. Es ist daher möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorelement eine funktionale Eigendiagnose aufweisen kann, insbesondere eine vom Gesetzgeber geforderte funktionale Eigendiagnose. Insbesondere kann es möglich sein, mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorelements zu überprüfen, ob die erste Elektrodeneinrichtung und die zweite Elektrodeneinrichtung keine zum Messgas offene Elektrodenfingergesamtoberfläche aufweist. Hierbei kann unter einer Elektrodenfingergesamtoberfläche eine Gesamtheit der ersten Elektrodenfingeroberflächen und zweiten Elektrodenfingeroberflächen verstanden werden.
Weiterhin kann es möglich sein, einen Anteil der Elektrodenfingergesamtoberfläche, insbesondere einer Platinoberfläche, zu bestimmen, welche zum Messgas, insbesondere zur Gasatmosphäre, hin offen liegt und aktiv ist. Beispielsweise kann es möglich sein, anhand einer Höhe eines zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung und der zweiten Elektrodeneinrichtung fließenden Stroms bei bekannter Temperatur und Sauerstoffkonzentration im Messgas einen Anteil der Elektrodenfingergesamtoberfläche, insbesondere einer Platinoberfläche, zu bestimmen, welche zum Messgas, insbesondere zur Gasatmosphäre, hin offen liegt und aktiv ist. Weiterhin kann es möglich sein, das erfindungsgemäße Sensorelement zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente eines Messgases in dem Messgasraum zu nutzen, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils, wie dies in der Regel von als Lambdasonden bezeichneten Sensorelementen getan wird.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind.
Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfassend ein erfindungsgemäßes Sensorelement und eine Steuerung in einer perspektivischen Darstellung; und
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements in einer Querschnittsansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 umfassend ein Sensorelement 112 zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgastraum und eine Steuerung 114 gezeigt. Das Sensorelement 112 umfasst mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung 116 und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung 118. Hierbei weist die erste Elektrodeneinrichtung 116 eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern 120 auf, und die zweite Elektrodeneinrichtung 118 weist eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern 122. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 greifen kammartig ineinander. Weiterhin umfasst das Sensorelement 112 mindestens eine Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten 124. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 sind hierbei jeweils zumindest teilweise auf der Schicht des Festkörperelektrolyten 124 aufgebracht.
Der Festkörperelektrolyt 126 kann aktivierbar sein. Hierbei kann eine lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten 126 in einem Betriebstemperaturbereich des Sensorelements 112 geringer sein als in einem Regenerationstemperaturbereich des Sensorelements 112. Hierbei können Betriebstemperaturen des Betriebstemperaturpreis niedriger sein als Regenerationstemperaturen des Regenerationstemperaturbereichs. Insbesondere kann der Betriebstemperaturbereich im Bereich von 80 °C bis 500 °C liegen, und der Regenerationstemperaturbereich kann im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegen.
Ein Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger 120 und einem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger 122 kann einen Wert von 5 µm bis 200 µm aufweisen. Der in den 1 und 2 gezeigte Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger 120 und dem nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger 122 kann von den Partikeln bei der Betriebstemperatur durch elektrisch leitfähige Partikelbrücken überbrückbar sein. Ein bei Anlegen einer Betriebsspannung an die erste Elektrodeneinrichtung 116 und die zweite Elektrodeneinrichtung 118 bei der Betriebstemperatur über die Partikelbrücken fließender Brückenstrom kann um mindestens eine Größenordnung größer sein als ein in Abwesenheit von den Partikelbrücken bei derselben Betriebstemperatur und bei Anlegen derselben Betriebsspannung an die erste Elektrodeneinrichtung 116 und die zweite Elektrodeneinrichtung 118 über die Schicht des Festkörperelektrolyten 124 fließender Schichtstrom.
Der Festkörperelektrolyt 126 kann mindestens ein Elektrolyten umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Sauerstoffionenleiter; einem Wasserstoffionenleiter. Weiterhin kann der Festkörperelektrolyt 126 Zirkoniumoxid umfassen. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt 126 mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Calciumoxid-dotiertem Zirkoniumoxid; Calcium-Titan-dotiertem Zirkoniumoxid; Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid; Lanthan-dotiertem Aluminiumoxid; Calcium-dotiertem Aluminiumoxid; einer Legierung umfassend Lanthan- und Strontiumoxid, insbesondere einer Legierung aus Lanthan- und Strontiumoxid; einer Legierung umfassend Calcium-dotiertes Gadoliniumoxid, insbesondere einer Legierung aus Calcium-dotiertem Gadoliniumoxid. Auch andere Materialien sind denkbar, beispielsweise dotiertes Wolframoxid. Auch weitere Materialien, insbesondere anders dotiertes Zirkoniumoxid oder anders dotiertes Aluminiumoxid, sind möglich. Wie in den 1 und 2 gezeigt, kann die Schicht des Festkörperelektrolyten 124 eine Dicke D_F von 1 µm bis 1 mm aufweisen.
Die Schicht des Festkörperelektrolyten 124 kann mit den ersten Elektrodenfingern 120 und den zweiten Elektrodenfingern 122 jeweils zumindest teilweise in direktem Kontakt stehen. Die ersten Elektrodenfinger 120 können jeweils über mindestens eine erste Elektrodenfingeroberfläche 128 und die zweiten Elektrodenfinger 122 können jeweils über mindestens eine zweite Elektrodenfingeroberfläche 130 jeweils zumindest teilweise mit dem Messgas in Kontakt stehen. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 können Platin 132 umfassen.
Die Steuerung 114 ist eingerichtet, um das Sensorelement 112 in mindestens zwei Ansteuerungsmodi zu betreiben. Die Ansteuerungsmodi umfassen mindestens einen Betriebsmodus und mindestens einen Eigendiagnosemodus. In dem Betriebsmodus kann ein zwischen den ersten Elektrodenfingern 120 und den zweiten Elektrodenfingern 122 aufgrund von Partikelbrücken fließender Strom erfasst werden. In dem Eigendiagnosemodus kann ein zwischen den ersten Elektrodenfingern 120 und den zweiten Elektrodenfingern 122 durch den Festkörperelektrolyten 126 fließender lonenstrom erfasst werden. Weiterhin kann die Steuerung 114 eingerichtet sein, um das Sensorelement 112 während der Durchführung des Eigendiagnosemodus auf eine höhere Temperatur zu beheizen als während der Durchführung des Betriebsmodus. Weiterhin kann die Steuerung 114 eingerichtet sein, um das Sensorelement 112 während der Durchführung des Eigendiagnosemodus bei einer Temperatur von 550 °C bis 900 °C zu betreiben. Ferner kann die Steuerung 114 eingerichtet sein, um das Sensorelement 112 während der Durchführung des Betriebsmodus bei einer Temperatur von 80 °C bis 500 °C zu betreiben. Weiterhin kann die Steuerung 114 mindestens eine in den Figuren nicht gezeigte Strommessvorrichtung zur Messung mindestens eines Stroms zwischen den ersten Elektrodenfingern 120 und den zweiten Elektrodenfingern 122 aufweisen.
Die Sensorvorrichtung 110 kann mindestens eine, in den Figuren nicht gezeigte, Heizvorrichtung zur Beheizung des Sensorelements 112 aufweisen.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 112 in einer Querschnittsansicht. Das Sensorelement 112 kann, wie in 2 gezeigt, mindestens einen Träger 134 umfassen. Die Schicht des Festkörperelektrolyten 124 kann auf den Träger 134 aufgebracht sein. Der Träger 134 kann mindestens ein isolierendes Material 136 umfassen. Insbesondere kann der Träger 134 mindestens ein keramisches Material 138 umfassen.
Das Sensorelement 112 umfasst mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung 116 und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung 118. Die erste Elektrodeneinrichtung 116 umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern 120, und die zweite Elektrodeneinrichtung 118 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern 122. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 greifen kammartig ineinander, wie in den 1 und 2 zu sehen.
Wie in 2 gezeigt, können die ersten Elektrodenfinger 120 eine Dicke D₁ von 1 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 20 µm und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm aufweisen. Weiterhin können die zweiten Elektrodenfinger 122 eine Dicke D₂ von 1 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 20 µm und besonders bevorzugt von 5 µm bis 10 µm aufweisen. Insbesondere können die Dicke D₁ der ersten Elektrodenfinger 120 und die Dicke D₂ der zweiten Elektrodenfinger 122 gleich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005053120 A1 [0003]
DE 10319664 A1 [0003]
DE 102004046882 A1 [0003]
DE 102006042362 A1 [0003]
DE 10353860 A1 [0003]
DE 10149333 A1 [0003]
WO 2003/006976 A2 [0003]
DE 102009028239 A1 [0004]
DE 102009028283 A1 [0004]
DE 2007046096 A1 [0004]
DE 102006042605 A1 [0004]
US 2012/0119759 A1 [0004]

Claims

Sensorelement (112) zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine erste Elektrodeneinrichtung (116) und mindestens eine zweite Elektrodeneinrichtung (118) umfasst, wobei die erste Elektrodeneinrichtung (116) eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (120) umfasst, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (118) eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (122) umfasst, wobei die ersten Elektrodenfinger (120) und die zweiten Elektrodenfinger (122) kammartig ineinandergreifen, wobei das Sensorelement (112) weiterhin mindestens eine Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten (124) umfasst, wobei die ersten Elektrodenfinger (120) und die zweiten Elektrodenfinger (122) jeweils zumindest teilweise auf der Schicht des Festkörperelektrolyten (124) aufgebracht sind.
Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Festkörperelektrolyt (126) aktivierbar ist, wobei eine lonenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten (126) in einem Betriebstemperaturbereich des Sensorelements (112) geringer ist als in einem Regenerationstemperaturbereich des Sensorelements (112), wobei Betriebstemperaturen des Betriebstemperaturbereichs niedriger sind als Regenerationstemperaturen des Regenerationstemperaturbereichs.
Sensorelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die lonenleitfähigkeit in dem Regenerationstemperaturbereich mindestens eine Größenordnung größer ist als in dem Betriebstemperaturbereich.
Sensorelement (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betriebstemperaturbereich im Bereich von 80 °C bis 500 °C liegt, wobei der Regenerationstemperaturbereich im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festkörperelektrolyt (126) mindestens einen Elektrolyten umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Sauerstoffionenleiter; einem Wasserstoffionenleiter.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Elektrodenfinger (120) jeweils über mindestens eine erste Elektrodenfingeroberfläche (128) und die zweiten Elektrodenfinger (122) jeweils über mindestens eine zweite Elektrodenfingeroberfläche (130) jeweils zumindest teilweise mit dem Messgas in Kontakt stehen.
Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum, umfassend mindestens ein Sensorelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine mit dem Sensorelement (112) verbundene Steuerung (114), wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) in mindestens zwei Ansteuerungsmodi zu betreiben, wobei die Ansteuerungsmodi mindestens einen Betriebsmodus umfassen, wobei in dem Betriebsmodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern (120) und den zweiten Elektrodenfingern (122) aufgrund von Partikelbrücken fließender Strom erfasst wird, wobei die Ansteuerungsmodi weiterhin mindestens einen Eigendiagnosemodus umfassen, wobei in dem Eigendiagnosemodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern (116) und den zweiten Elektrodenfingern (122) durch den Festkörperelektrolyten (126) fließender lonenstrom erfasst wird.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) während der Durchführung des Eigendiagnosemodus auf eine höhere Temperatur zu beheizen als während der Durchführung des Betriebsmodus.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) während der Durchführung des Eigendiagnosemodus bei einer Temperatur von 550 °C bis 900 °C zu betreiben, wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um das Sensorelement (112) während der Durchführung des Betriebsmodus bei einer Temperatur von 80 °C bis 500 °C zu betreiben.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (112) zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen mindestens eines Trägers (134); b) Aufbringen mindestens einer Schicht mindestens eines Festkörperelektrolyten (124) auf den Träger (134); c) Aufbringen mindestens einer ersten Elektrodeneinrichtung (116) und mindestens einer zweiten Elektrodeneinrichtung (118) auf die Schicht des Festkörperelektrolyten (124), wobei die erste Elektrodeneinrichtung (116) eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (120) umfasst, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (118) eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (122) umfasst, wobei die ersten Elektrodenfinger (120) und die zweiten Elektrodenfinger (122) kammartig ineinandergreifen.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen mindestens eines Sensorelements (112) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorelement (112) betreffenden Ansprüche; b) Betreiben des Sensorelements (112) in mindestens einem Betriebsmodus, wobei in dem Betriebsmodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern (120) und den zweiten Elektrodenfingern (122) aufgrund von Partikelbrücken fließender Strom erfasst wird; c) Betreiben des Sensorelements (112) in mindestens einem Eigendiagnosemodus, wobei in dem Eigendiagnosemodus ein zwischen den ersten Elektrodenfingern (120) und den zweiten Elektrodenfingern (122) durch den Festkörperelektrolyten (126) fließender lonenstrom erfasst wird.