DE102018217448A1

DE102018217448A1 - Partikelsensor

Info

Publication number: DE102018217448A1
Application number: DE102018217448.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Baier; Christine Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung von Partikeln in einem Gas, mit zwei dem Gas ausgesetzbaren Elektroden (14, 16), die auf einer Schicht des Sensorelements angeordnet sind, wobei die Schicht Eisenoxid und Aluminiumoxid aufweist. Es ist vorgesehen, dass Eisenoxid und Aluminiumoxid mit definierten Korngrößen, gewünschten Kornmorpholgien und/oder in einem geeigneten Mengenverhältnis in der Schicht vorliegen.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 042 605 A1 ist ein Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung von Partikeln in einem Gas, mit zwei dem Gas ausgesetzbaren Elektroden, die auf einer Schicht des Sensorelements angeordnet sind, wobei die Schicht Eisenoxid und Aluminiumoxid aufweist, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass dann, wenn Eisenoxid und Aluminiumoxid mit definierten Korngrößen, gewünschten Kornmorpholgien und/oder in einem geeigneten Mengenverhältnis in der Schicht vorliegen, ein besonders homogenes Gefüge zustande kommt, woraus ein definierter elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden des Sensorelements resultiert, der beispielsweise zur Eigendiagnose der Integrität der Elektroden des Sensorelements genutzt werden kann.
Unter Eisenoxid wird vorliegend insbesondere Fe₂O₃ verstanden. Unter Aluminiumoxid wird vorliegend insbesondere Al₂O₃ verstanden.
Die definierten Korngrößen von Eisenoxid und Aluminiumoxid können im Bereich von 0,1µm bis 15 µm liegen. Das hat den Vorteil, dass die Schicht mittels Siebdruck und nachfolgender Sinterung, insbesondere Reaktionssinterung, herstellbar ist.
Die definierten Korngrößen von Eisenoxid und Aluminiumoxid können sich auch dadurch auszeichnen, dass ihre D50-Werte im Bereich von 0,1µm bis 0,6 µm liegen. Derart feine Gefüge ermöglichen eine hohe Homogenität und ferner eine Herstellbarkeit bei moderaten Sintertemperaturen, insbesondere mittels Reaktionssintern.
Die gewünschte Kornmorpholgie von Eisenoxid und Aluminiumoxid kann globulär sein. In diesem Fall ist eine besonders hohe Homogenität der Schicht realisierbar.
Das geeignete Mengenverhältnis kann 1 mol% bis 20 mol% Eisenoxid, insbesondere 7 mol% bis 15 mol% Eisenoxid, vorsehen. Als Rest (also 80 mol% bis 99mol%, insbesondere 85 mol% bis 93 mol%) kann jeweils Aluminiumoxid vorgesehen sein.
Weist die Schicht ein Gefüge auf, in dem Eisen gleichmäßig verteilt ist und die Eisenkonzentration im Bereich von Korngrenzen unvermindert ist, können Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht minimiert werden.
Vorteilhafterweise können derartige Sensorelemente hergestellt werden, indem auf einem grünen keramischen Träger eine Siebdruckschicht mittels Siebdruck einer Siebdruckpaste aufgebracht wird, und die Siebdruckschicht durch ein Reaktionssintern (also indem chemische Reaktionen erfolgen) in die Schicht übergeht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein planares keramisches Sensorelement 10 umfasst zwei keramische Substrate 11a, 11b, die einen planaren keramischen Körper bilden. Sie bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material.
Optional kann das Sensorelement 10 auf seiner Ober-und seiner Unterseite jeweils eine Abdeckschicht 12a, 12b aus einem elektrisch isolierende Material aufweisen, das beispielsweise mittels Siebdruck aufgebracht worden sein kann.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelements 10, insbesondere auf die baldige Betriebstemperatur oder dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelements 10 abgelagerten Partikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42,44 sowie elektrische Kontakte 46,48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung, von beispielsweise 12 V, an die Kontakte 46,48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelements 40 entsprechend reguliert werden.
Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 ist sind zwei kammartig ineinandergreifende Interdigitalelektroden 14, 16 aufgebracht. Zur Kontaktierung der Interdigitalelektrode 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18, 20 vorgesehen.
Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Rußpartikel, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss durch die Interdigitalelektrode 14,16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 auf der gegenüberliegenden Großfläche des Sensorelements 10 ein Temperaturmesselement 30, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und die Form eines Mäanders aufweisen kann. Einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn kann mit dem Kontakt sechs und 14 verbunden sein. Ein weiterer elektrischer Anschluss des Temperaturmesselements 30 wird durch einen weiteren Kontakt 22 gebildet.
Unterhalb der Interdigitalelektrode 14,16, auf dem Substrat 11b ist eine Schicht 17 angeordnet. Sie ist beispielsweise 20µm dick und besteht beispielsweise zu 10 mol% aus Eisenoxid und zu 90 mol% aus Aluminiumoxid. Die mittleren Korngrößen (D50-Werte) betragen beispielsweise 0,3µm im Fall des Aluminiumoxides und 0,4µm im Fall des Eisenoxides. Die Kornmorphologie ist beispielsweise jeweils globulär. Die Schicht weist ein Gefüge auf, in dem Eisen gleichmäßig verteilt ist und die Eisenkonzentration im Bereich von Korngrenzen unvermindert ist.
Auf diese Weise beträgt ein elektrischer Widerstand zwischen den beiden Interdigitalelektroden in Abwesenheit von angelagerten Partikeln unterhalb von 450°C stets mehr als 22,5 MOhm und bei 800°C weniger als 4 MOhm.
Ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements sieht vor, dass auf einem grünen keramischen Träger eine Siebdruckschicht mittels Siebdruck einer Siebdruckpaste aufgebracht wird. Die Siebdruckpaste enthält Aluminiumoxid und Eisenoxid mit Korngrößen, Mengenverhältnissen und Kornmorphologien wie oben im Zusammenhang mit der fertigen Schicht 17 beschrieben. Die Siebdruckschicht geht bei dieser Zusammensetzung der Paste durch ein Reaktionssintern bei 1300°C bis 1500°C in die Schicht 17 über. Das Ergebnis ist das die Schicht 17 sich mit einem besonders homogenen Gefüge ausbildet und, in dem Eisen gleichmäßig verteilt ist und die Eisenkonzentration im Bereich von Korngrenzen unvermindert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006042605 A1 [0001]

Claims

Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung von Partikeln in einem Gas, mit zwei dem Gas ausgesetzbaren Elektroden (14, 16), die auf einer Schicht (17) des Sensorelements angeordnet sind, wobei die Schicht (17) Eisenoxid und Aluminiumoxid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Eisenoxid und Aluminiumoxid mit definierten Korngrößen, gewünschten Kornmorpholgien und/oder in einem geeigneten Mengenverhältnis in der Schicht (17) vorliegen.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisenoxid und Aluminiumoxid Fe₂O₃ und Al₂O₃ sind.
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Korngrößen von Eisenoxid und Aluminiumoxid im Bereich von 0,1µm bis 15 µm liegen.
Sensorelement nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Korngrößen von Eisenoxid und Aluminiumoxid D50-Werte im Bereich von 0,1µm bis 0,6 µm liegen
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Kornmorpholgie von Eisenoxid und Aluminiumoxid globulär ist.
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geeignete Mengenverhältnis 1 mol% bis 20 mol% Eisenoxid vorsieht.
Sensorelement nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das geeignete Mengenverhältnis 7 mol% bis 15 mol% Eisenoxid vorsieht.
Sensorelement nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geeignete Mengenverhältnis im übrigen Aluminiumoxid vorsieht.
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden (14, 16) unterhalb von 450°C stets mehr als 22,5 MOhm beträgt und bei 800°C weniger als 4 MOhm beträgt.
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) ein Gefüge aufweist, in dem Eisen gleichmäßig verteilt ist und die Eisenkonzentration im Bereich von Korngrenzen unvermindert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem grünen keramischen Träger eine Siebdruckschicht mittels Siebdruck einer Siebdruckpaste aufgebracht wird, und die Siebdruckschicht durch ein Reaktionssintern in die Schicht (17) übergeht.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionssintern bei 1300°C bis 1500°C erfolgt.