DE102019201328A1

DE102019201328A1 - Partikelsensor und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102019201328A1
Application number: DE102019201328.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Glanz; Radoslav Rusanov; Oliver Krayl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-06
Also published as: JP2020126049A

Abstract

Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom und mit einer Sensorelektrode zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel in dem Fluidstrom, wobei der Partikelsensor ein Trägerelement zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente der Partikelaufladeeinrichtung und/oder der Sensorelektrode aufweist, wobei das Trägerelement einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Offenbarung betrifft einen Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom.
Die Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Partikelsensors.
Offenbarung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf einen Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom und mit einer Sensorelektrode zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel in dem Fluidstrom, wobei der Partikelsensor ein Trägerelement zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente der Partikelaufladeeinrichtung und/oder der Sensorelektrode aufweist, wobei das Trägerelement einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten aufweist.
Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann sowohl zur Sensierung von als Festkörper ausgebildeten Partikeln (z.B. Rußpartikel, wie sie in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine enthalten sind) als auch zur Sensierung von z.B. flüssigen Partikeln (z.B. Aerosol) verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement wenigstens ein Keramikspritzgussteil (CIM, ceramic injection moulding) aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement wenigstens ein ein- oder mehrlagiges keramisches Folienlaminat aufweist bzw. als ein- oder mehrlagiges keramisches Folienlaminat ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der elektrisch isolierenden Schichten ein elektrisch (hoch-)isolierendes Keramikmaterial aufweist, insbesondere Aluminiumoxid, AL₂O₃.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement ein oder mehrere Funktionsschichten aufweist, die wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: a) eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung, b) ein oder mehrere Elektroden und/oder Zuleitungen für Elektroden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung mit einem vorgebbaren elektrischen Potential, insbesondere einem Bezugspotenzial wie z.B. dem Massepotential, beaufschlagbar ist bzw. beaufschlagt wird, wodurch beispielsweise Abschirmstrukturen geschaffen werden können, die eine elektrische Abschirmung von Komponenten des Partikelsensors voneinander bieten.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung mit einem von einer Betriebsgröße des Partikelsensors abhängigen elektrischen Potential beaufschlagbar ist bzw. beaufschlagt wird, wodurch aktive Abschirmstrukturen („Guardelektrode“) geschaffen werden können, die eine aktive elektrische Abschirmung bieten. Beispielsweise kann als Betriebsgröße das elektrische Potential einer betrachteten Elektrode, z.B. der Sensorelektrode, verwendet werden, und die elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung wird aktiv, z.B. unter Verwendung eines Operationsverstärkers, mit dem der Betriebsgröße entsprechenden Potential angesteuert. Dadurch können noch wirksamer unerwünschte (Leck-) Ströme von/zu der aktiv abgeschirmten Elektrode, z.B. Sensorelektrode, vermieden werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Funktionsschichten und/oder wenigstens eine Elektrode mittels eines Siebdruckverfahrens hergestellt ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Funktionsschichten und/oder wenigstens eine Elektrode Platin und/oder Platin-Cermet aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine Abschirmelektrode vorgesehen ist, die die Sensorelektrode zumindest bereichsweise umgibt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass auf wenigstens einer Außenoberfläche des Trägerelements wenigstens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung einer Komponente des Partikelsensors angeordnet ist, wodurch sich eine effiziente Kontaktierung ergibt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass ein Verbindungselement zur Verbindung des Trägerelements mit wenigstens einem Kabel vorgesehen ist, wobei das Verbindungselement ein Gehäuse aufweist, das zumindest bereichsweise eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist und/oder das zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, besteht, und ein elektrisch isolierendes Halteelement, das mit dem Gehäuse verbunden ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verbindungselement wenigstens zwei voneinander elektrisch abgeschirmte Kammern aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Ende eines Kabels aufzunehmen und/oder zu führen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verbindungselement ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontakte, insbesondere Federkontakte, zur Kontaktierung von wenigstens einem Kontaktelement des Trägerelements aufweist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom und mit einer Sensorelektrode zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel in dem Fluidstrom, wobei der Partikelsensor ein Trägerelement zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente der Partikelaufladeeinrichtung und/oder der Sensorelektrode aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen des Trägerelements mit einem Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten, Anordnen der wenigstens einen Komponente der Partikelaufladeeinrichtung und/oder der Sensorelektrode an dem Trägerelement.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors gemäß bevorzugten Ausführungsformen,
2 schematisch die Anordnung des Partikelsensors gemäß 1 in einem Zielsystem,
3 schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
4 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
5 schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in teilweisem Querschnitt,
6A bis 6D jeweils schematisch eine Draufsicht auf eine Schicht eines Trägerelements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
7 schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
8A bis 8C jeweils schematisch eine Draufsicht auf eine Schicht eines Trägerelements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
9 schematisch eine Seitenansicht eines Verbindungselements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in teilweisem Querschnitt, und
10 schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in teilweisem Querschnitt.

1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors 100 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Der Partikelsensor 100 weist eine Partikelaufladeeinrichtung 110 zum elektrischen Aufladen von Partikeln P in einem Fluidstrom A1 auf, wodurch geladene Partikel P' erhalten werden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird dies dadurch bewerkstelligt, dass eine Koronaelektrode 112 der Partikelaufladeeinrichtung 110 mit einem Ansteuersignal, beispielsweise einer Ansteuerspannung, beaufschlagt wird, um eine Koronaentladung 113 zu erzeugen. Hierbei entstehen Ionen in dem Fluidstrom A1, durch die die Partikel P elektrisch geladen werden können. Optional verfügt der Partikelsensor 100 über eine Gegenelektrode 112' für die Koronaelektrode 112.
Der Partikelsensor 100 weist ferner eine Sensorelektrode 120 auf zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel P' in dem Fluidstrom A1. Die Erfassung kann beispielsweise mittels des Influenzprinzips erfolgen. Bei dem Passieren der Sensorelektrode 120 üben geladene Partikel P' eine Influenzwirkung auf die Sensorelektrode 120 aus, so dass z.B. durch eine Ladungsmessung an der Sensorelektrode 120 Informationen über die elektrische Ladung der Partikel P' ermittelt werden können.
Damit gegebenenfalls durch die Koronaentladung 113 erzeugte Ionen (insbesondere überschüssige durch die Koronaentladung erzeugte Ionen, die z.B. nicht auf der Partikeloberfläche der Partikel angelagert sind) nicht (auch) von der Sensorelektrode 120 erfasst werden (Störung des Sensorsignals), kann eine optionale Trapelektrode 140 vorgesehen sein, die bezogen auf die Strömungsrichtung x des Fluidstroms A1 stromaufwärts der Sensorelektrode 120 angeordnet ist und die Ionen bevorzugt so ablenkt, dass diese die Sensorelektrode 120 nicht passieren.
Der Partikelsensor 100 weist darüber hinaus ein Trägerelement 130 zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente 112, 112' der Partikelaufladeeinrichtung 110 und/oder der Sensorelektrode 120 auf, wobei das Trägerelement 130 einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten aufweist. Details zu der Konfiguration des Schichtaufbaus gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind weiter unten unter Bezugnahme auf beispielsweise 3 beschrieben.
Durch den genannten Schichtaufbau des Trägerelements 130 werden vorteilhaft Freiheitsgrade zur Herstellung von einer oder mehreren Abschirmschichten und/oder sonstigen Abschirmstrukturen zwischen verschiedenen Komponenten des Partikelsensors 100 geschaffen. Beispielsweise sind bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen die Komponenten 110, 112, 112', 120, 140 selbst auf der ersten Oberfläche 130a des Trägerelements 130 angeordnet, wodurch sich eine besonders kostengünstige Konfiguration ergibt, und entsprechende Zuleitungen (nicht in 1 gezeigt) können zumindest bereichsweise in „tieferen“ Schichten des Schichtaufbaus 130, also z.B. gerade nicht auf der Oberfläche 130a, angeordnet werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom A1 um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln P um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann sowohl zur Sensierung von als Festkörper ausgebildeten Partikeln (z.B. Rußpartikel, wie sie in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine enthalten sind) als auch zur Sensierung von z.B. flüssigen Partikeln (z.B. Aerosol) verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann ein optionales Verbindungselement 160 zur Verbindung des Trägerelements 130 mit wenigstens einem Kabel (nicht in 1 gezeigt) vorgesehen sein, wobei das Kabel beispielsweise Leitungen zur Kontaktierung der Elektroden 112, 112', 120, 140 aufweist.
2 zeigt schematisch die Anordnung des Partikelsensors 100 gemäß 1 in einem Zielsystem Z, bei dem es sich vorliegend um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs handelt. Eine Abgasströmung ist vorliegend mit dem Bezugszeichen A2 bezeichnet. Ebenfalls abgebildet ist eine Schutzrohranordnung 1000 aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren R1, R2, wobei der Partikelsensor 100 so in dem inneren Rohr R1 angeordnet ist, dass die erste Oberfläche 130a des Trägerelements 130 (1) im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse LA des inneren Rohres R1 verläuft. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und der Anordnung der Rohre R1, R2 relativ zueinander ergibt sich bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen durch den Venturi-Effekt ein Sog, bei dem die Abgasströmung A2 eine Fluidströmung P1 bzw. A1 aus dem inneren Rohr R1 heraus in 2 in vertikaler Richtung nach oben bewirkt. Die weiteren Pfeile P2, P3, P4 deuten die Fortsetzung dieser durch den Venturi-Effekt bewirkten Fluidströmung durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Rohren R1, R2 hindurch zur Umgebung der Schutzrohranordnung 1000 hin an. Insgesamt wird durch die in 2 abgebildete Anordnung eine vergleichsweise gleichmäßige Überströmung des Partikelsensors 100 bzw. dessen entlang der Fluidströmung P1 ausgerichteter erster Oberfläche 130a bewirkt (insbesondere im Sinne einer laminaren Strömung), was eine effiziente Erfassung von in der Fluidströmung A1, P1 befindlichen Partikeln ermöglicht. Darüber hinaus wird der Partikelsensor 100 vor einem direkten Kontakt mit dem Haupt-Abgasstrom A2 geschützt.
Das Bezugszeichen R2' deutet eine optionale elektrische Verbindung des äußeren Rohres R2 und/oder des inneren Rohres R1 mit einem Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial an, sodass das betreffende Rohr bzw. beide Rohre vorteilhaft gleichzeitig zu ihrer fluidischen Leitfunktion als elektrische Gegenelektrode beispielsweise für die Koronaelektrode 112 (1) und/oder die optionale Trapelektrode 140 verwendbar sind (z.B. anstelle der optionalen Gegenelektrode 112', 1).
Der Blockpfeil P5 in 2 symbolisiert eine optionale Frischgasversorgung, insbesondere Frischluftversorgung, die in manchen Ausführungsformen erwünscht sein kann, bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht vorgesehen ist.
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements 1300 gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Beispielsweise kann das Trägerelement 130 des Partikelsensors 100 gemäß 1 die Konfiguration 1300 gemäß 3 aufweisen. Das Trägerelement 1300 gemäß 3 weist insgesamt drei elektrisch isolierende Schichten 1302, 1304, 1306 auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement 1300 wenigstens ein Keramikspritzgussteil (CIM, ceramic injection moulding) aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement 1300 wenigstens ein ein- oder mehrlagiges keramisches Folienlaminat aufweist bzw. als ein- oder mehrlagiges keramisches Folienlaminat ausgebildet ist. Beispielsweise kann jede der in 3 abgebildeten elektrisch isolierenden Schichten 1302, 1304, 1306 eine keramische Folie aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der elektrisch isolierenden Schichten 1302, 1304, 1306 ein elektrisch (hochisolierendes Keramikmaterial aufweist, insbesondere Aluminiumoxid, Al₂O₃.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Trägerelement 1300 ein oder mehrere Funktionsschichten 1301, 1303, 1305 aufweist, die wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: a) eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung, b) ein oder mehrere Elektroden und/oder Zuleitungen für Elektroden, c) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten, die z.B. eine Heizfunktion aufweisen (z.B. für Schutzheizen und/oder Freiheizen und/oder Startheizen und/oder zur Erreichung eines Taupunktendes).
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Trägerelement als eigenständig isolierende Folien- oder CIM-Keramik (ceramic injection molding) ausgeführt, wobei ein oder mehrere Elektroden und/oder Leiterbahnen und/oder sogenannte Überbrückungskontakte sowohl auf der Folie als auch durch die Folien aus Hochtemperaturmaterialen wie z.B. Platin, Pt, und/oder Platinlegierungen wie z.B. PtRh, Ptlr, Pt..., und Pt-Cermet usw. ausgebildet sind und bevorzugt als Siebdruck-Pasten im Siebdruck aufgebracht werden. Dies erfolgt bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. direkt auf die keramischen Folien des Trägerelements oder z.B. auch auf eine Trägerfolie, eine sogenannte Releasefolie, für das CIM Verfahren.
Gemäß weiteren Aspekten ist auch der Einsatz von Leiterplatten (PCB, printed circuit board) möglich zur Realisierung eines koronaentladungsbasierten Partikelsensors mit elektrischen Abschirmstrukturen.
Vorliegend, vgl. 3, sind die Funktionsschichten 1301, 1305 beispielsweise jeweils als Abschirmschicht bzw. Abschirmelektrode ausgebildet, die mit einem vorgebbaren elektrischen Potential, insbesondere einem Bezugspotenzial wie z.B. dem Massepotential, beaufschlagbar sind. Die weitere Funktionsschicht 1303, die zwischen den Abschirmschichten 1301, 1305 angeordnet ist, stellt eine Zuleitung für die Sensorelektrode 120 (1) dar. Durch die beschriebene Struktur, insbesondere die Einbettung der weiteren Funktionsschicht 1303 zwischen die Abschirmschichten 1301, 1305, ergibt sich eine effiziente elektrische Abschirmung der Zuleitung 1303, sodass diese insbesondere vor Störungen durch das Element 110', welches beispielsweise eine Komponente der Partikelaufladeeinrichtung 110 darstellt, geschützt ist, aber auch vor Störungen im Bereich der Unterseite (der Oberfläche 1302b). Insbesondere können durch eine derartige Anordnung auch Leckströme zwischen den Unterschiedlichen Funktionsschichten bzw. damit realisierten Komponenten reduziert werden.
Beispielsweise können die isolierenden Schichten 1302, 1304, 1306 gemäß 3 das Trägerelement 130 gemäß 1 bilden. In diesem Fall entspricht eine erste Oberfläche 1306a des Trägerelements 1300 gemäß 3 der ersten Oberfläche 130a gemäß 1, und die zweite Oberfläche 1302b des Trägerelements 1300 gemäß 3 entspricht einer Unterseite des Trägerelements 130 von 1.
Generell können bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. abzuschirmende Zuleitungen in „tiefere“ Schichten 1303 des Schichtaufbaus 1300 integriert und von wenigstens einer Seite, bevorzugt von beiden Seiten des Schichtaufbaus, mit Abschirmstrukturen bzw. Elektroden umgeben werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Schicht 1301, 1305 mit einem von einer Betriebsgröße des Partikelsensors 100 (1) abhängigen elektrischen Potential beaufschlagbar ist bzw. beaufschlagt wird, wodurch aktive Abschirmstrukturen („Guardelektrode“) geschaffen werden können, die eine aktive elektrische Abschirmung bieten. Beispielsweise kann als Betriebsgröße das elektrische Potential einer betrachteten Elektrode, z.B. der Sensorelektrode 120 (1), verwendet werden, und die elektrisch leitfähige Schicht 1301, 1305 wird aktiv, z.B. unter Verwendung eines Operationsverstärkers (nicht gezeigt) mit dem der Betriebsgröße entsprechenden elektrischen Potential angesteuert. Dadurch können noch wirksamer unerwünschte (Leck-) Ströme von/zu der aktiv abgeschirmten Elektrode, z.B. Sensorelektrode 120, vermieden werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Funktionsschichten 1301, 1303, 1305 und/oder wenigstens eine Elektrode 112, 112', 120, 140 mittels eines Siebdruckverfahrens hergestellt ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Funktionsschichten und/oder wenigstens eine Elektrode Platin und/oder wenigstens eine Platinlegierung und/oder Platin-Cermet aufweist.
4 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. In Schritt 200 wird das Trägerelement 130, 1300 mit dem genannten Schichtaufbau bereitgestellt, und in Schritt 202 wird wenigstens eine Komponente der Partikelaufladeeinrichtung 110 und/oder der Sensorelektrode 120 beziehungsweise die Sensorelektrode 120 selbst an dem Trägerelement 130, 1300 angeordnet.
5 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors 100a gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in teilweisem Querschnitt. Der Partikelsensor 100a weist ein Trägerelement 130 auf, das einen Schichtaufbau aus drei elektrisch isolierenden Schichten 1302, 1304, 1306, z.B. jeweils ausgebildet als Keramikfolie, aufweist, sodass insgesamt vier Ebenen zwischen den Schichten 1302, 1304, 1306 und auf den Außenseiten der äußeren Schichten 1302, 1306 bereitgestellt werden, die Funktionselemente bzw. Funktionsschichten wie z.B. Elektroden usw. aufweisen können. Auf der ersten Oberfläche 130a des Trägerelements 130 ist eine Sensorelektrode 120 angeordnet und eine optionale Trapelektrode 140, ebenso wie die Koronaelektrode 112. Optional kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen auch eine Gegenelektrode (nicht gezeigt) für die Koronaelektrode 112 und/oder Trapelektrode 140 auf der Oberfläche 130a vorgesehen sein. Diese Gegenelektrode kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ggf. auch durch das Rohr R1 (2) gebildet sein.
Zusätzlich weist der Partikelsensor 100a noch eine Abschirmelektrode 121 auf, die die Sensorelektrode 120 beispielsweise im Wesentlichen ringförmig umgibt und vor Leckströmen insbesondere entlang der Oberfläche 130a schützt. Die Abschirmelektrode 121 kann statisch mit einem vorgebbaren Bezugspotential (z.B. Massepotential) verbunden sein, oder als aktive Abschirmelektrode („Guardelektrode“) ausgebildet sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Sensorelektrode 120 und die Abschirmelektrode 121 mittels in 5 nicht bezeichneten (isolierten) Durchkontaktierungselementen („vias“) mit anderen Funktionsschichten des Schichtaufbaus 130 verbunden. Dies gilt bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ggf. auch für die optionale Trapelektrode 140.
Zuleitungen für die Elektroden 112, 120, 121, 140 sind bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen zumindest teilweise mittels der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen elektrisch leitfähigen Funktionsschichten realisiert. Beispielsweise sind die Zuleitungen 121b', 121e' für die Abschirmelektrode 121 zwischen den Schichten 1304, 1306 und auf einer Unterseite 1302b des Trägerelements 130 geführt. Eine Zuleitung 120' der Sensorelektrode 120 ist zwischen den Schichten 1302, 1304 geführt. Die elektrische Anbindung der jeweiligen Zuleitungen zu den i.d.R. auf anderen Schichten bzw. Ebenen des Schichtaufbaus 130 angeordneten Elektroden erfolgt durch die bereits erwähnten Durchkontaktierungselemente.
Weitere Details zu dem Schichtaufbau gemäß 5 ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen 6A bis 6D, die jeweils schematisch eine Draufsicht auf eine Schicht des Trägerelements 1300 gemäß 5 zeigen.
6A zeigt eine Draufsicht auf die Schicht 1306. Ersichtlich ist die Koronaelektrode 112 mit einer ihr zugeordneten Zuleitung 112a. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Koronaelektrode 112 und/oder die ihr zugeordnete Zuleitung 112a durch eine optionale Abschirmelektrode 112b, die bevorzugt Massepotential aufweist, umgeben.
Ebenfalls aus 6A ersichtlich ist die Sensorelektrode 120, die durch die im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Abschirmelektrode 121 umgeben ist. Weiter aus 6A ersichtlich ist die optionale Trapelektrode 140.
Der Sensorelektrode 120 ist ein Durchkontaktierungselement („via“) 120a zugeordnet, das die Zuleitung der Sensorelektrode 120 vertikal in dem Trägerelement 130 durch die isolierenden Schichten 1304, 1306 (5) führt.
Der Abschirmelektrode 121 ist in entsprechender Weise mindestens ein Durchkontaktierungselement 121a zugeordnet, das die Zuleitung der Abschirmelektrode 121 vertikal in dem Trägerelement 130 von der Oberfläche 130a tieferen Schichten des Schichtaufbaus 130 führt. Ebenso ist der optionalen Trapelektrode 140 ein Durchkontaktierungselement 140a zugeordnet.
6B zeigt eine Draufsicht auf die Schicht 1304. Ersichtlich sind zwei Abschirmelektrodenbereiche 121b, 121c mit entsprechenden Zuleitungen 121b', 121c'. Der in 6B rechte Abschirmelektrodenbereich 121b schirmt die Sensorelektrode 120 bzw. ihre Zuleitung 120' (6C) nach oben hin ab, insbesondere von den Corona-Elementen 112, 112a. Der in 6B linke, optionale, Abschirmelektrodenbereich 121c bildet eine Abschirmelektrode für die optionale Trapelektrode 140 und ihre Zuleitung.
6C zeigt eine Draufsicht auf die Schicht 1302. Auf der Oberfläche 1302a der Schicht 1302 ist ein Abschirmelektrodenbereich 121d ersichtlich mit zugeordneter Zuleitung 121d', die gleichzeitig auf der Oberfläche 1302a der Schicht 1302 die Zuleitung 120' der Sensorelektrode 120 umgibt. Das der Sensorelektrode 120 bzw. ihrer Zuleitung 120' zugeordnete Durchkontaktierungselement 120a ist ebenfalls aus 6C ersichtlich, ebenso wie das dem Abschirmelektrodenbereich 121d zugeordnete Durchkontaktierungselement 121a.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist auf der Oberfläche 1302a der Schicht 1302 auch eine Zuleitung 140' für die optionale Trapelektrode 140 ( 6A) vorgesehen, ebenso wie ein zugehöriges Durchkontaktierungselement 140a. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist auch die Zuleitung 140' für die Trapelektrode 140 von einer weiteren auf der Oberfläche 1302a angeordneten Abschirmelektrodenstruktur 141 umgeben.
6D zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite 1302b der Schicht 1302, die eine vierte Funktionsschicht des Schichtaufbaus 130 darstellt. Dort ist eine weitere Abschirmelektrodenstruktur 121e (z.B. für die Sensorelektrode 120, zur Abschirmung der Sensorelektrode 120 „von unten“) mit zugehöriger Zuleitung 121e' angeordnet, ebenso wie eine optionale Heizeinrichtung H mit zugehöriger Zuleitung. Die Heizeinrichtung H ist beispielsweise für einen Rußabbrand und/oder zur Realisierung einer Schutzheiz-Funktion (Reduktion von Rußablagerungen durch eine erhöhte Substrattemperatur) und/oder für eine sogenannte Start-Heizfunktion zur Feuchtigkeitsreduzierung auf dem Partikelsensor (z.B. zur Erreichung eines Taupunktendes) vorgesehen und vorteilhaft in das Trägerelement 130 (5) integriert, was eine klein bauende Konfiguration ergibt. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Heizeinrichtung H zum elektrischen Schutz bevorzugt umlaufend flächig isoliert abgedeckt, z.B. bis auf die ihr zugeordneten elektrischen Kontaktanschlüsse 150g, 150h, s. 8.
Analog zu der Abschirmelektrodenstruktur 121e, 121e' kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine vergleichbare Abschirmelektrodenstruktur (nicht gezeigt) für die optionale Trapelektrode 140 auf der Unterseite 1302b vorgesehen sein.
7 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements 1300a gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Das Trägerelement 1300a weist elektrisch isolierende Schichten 1302, 1304, 1306, 1308 auf. Zwischen den Schichten 1304, 1306 ist vorteilhaft eine Abschirmelektrode 1301' vorgesehen, die beispielsweise Massepotential aufweist. Auf einer ersten Außenoberfläche 1308a des Trägerelements 1300a ist wenigstens ein Kontaktelement 150a zur elektrischen Kontaktierung einer Komponente des Partikelsensors angeordnet. Auf einer zweiten Außenoberfläche 1302a des Trägerelements 1300a ist wenigstens ein Kontaktelement 150b zur elektrischen Kontaktierung einer Komponente des Partikelsensors angeordnet. Das Kontaktelement 150a dient beispielsweise zur Kontaktierung eines weiteren Elements (nicht gezeigt), das ein vergleichsweise großes elektrisches Potenzial aufweist, wie es beispielsweise zur Ansteuerung der Koronaelektrode 112 (1) verwendbar ist. Das Kontaktelement 150b dient beispielsweise zur Kontaktierung eines weiteren Elements (nicht gezeigt), das das elektrische Signal der Sensorelektrode 120 auswertet bzw. einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) zuführt. Bevorzugt sind durch den in 7 gezeigten Schichtaufbau die Kontaktelemente 150a, 150b effizient elektrisch voneinander abgeschirmt, sodass sich keine gegenseitigen Störungen ergeben und insbesondere ein Übersprechen von dem „Hochvolt“-Teil 150a auf den Sensorkontakt 150b verhindert wird.
Die vorliegend beispielhaft anhand von 7 beschriebene Konfiguration ermöglicht vorteilhaft auch einen effizienten Schutz des Kontaktelement-Bereichs B3 für die Sensorelektrode von verschiedenen Störquellen. Dazu zählen z.B. Leckströme und elektromagnetisches Übersprechen.
8A bis 8C zeigt jeweils schematisch eine Draufsicht auf eine Schicht eines Trägerelements 1300b gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. 8A zeigt eine Draufsicht auf eine elektrisch isolierende Schicht 1314, welche ein Kontaktelement 150c zur Kontaktierung einer Koronaelektrode 112 (bzw. einer Zuleitung zu der Koronaelektrode 112) aufweist und ein Kontaktelement 150d zur Kontaktierung einer optionalen Trapelektrode (bzw. einer Zuleitung zu der optionalen Trapelektrode 140). 8B zeigt eine Draufsicht auf eine elektrisch isolierende Schicht 1312, die eine Abschirmelektrode 1303' aufweist, die beispielsweise mit dem Massepotenzial verbindbar ist. 8C zeigt eine Draufsicht auf eine elektrisch isolierende Schicht 1310, auf der weitere Kontaktelemente 150e, 150f, 150g, 150h vorgesehen sind. Das Kontaktelement 150e ist beispielsweise der Sensorelektrode 120 zugeordnet, das Kontaktelement 150f ist beispielsweise einer (aktiven) Abschirmelektrode 121 zugeordnet, das Kontaktelement 150g ist beispielsweise einer optionalen Heizeinrichtung H (s. auch 6D) zugeordnet, das Kontaktelement 150h ist beispielsweise dem Massepotential (und ggf. der optionalen Heizeinrichtung H zugeordnet).
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. hierzu die Seitenansicht in teilweisem Querschnitt gemäß 9, ist ein Verbindungselement 1600 zur Verbindung des Trägerelements 1300a mit wenigstens einem Kabel 300, 302 bzw. einem die Kabel 300, 302 aufweisenden Kabelbaum vorgesehen, wobei das Verbindungselement 1600 ein Gehäuse 1610 aufweist, das zumindest bereichsweise eine elektrisch leitfähige Oberfläche 1610a, 1610b aufweist und/oder das zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, besteht, und ein elektrisch isolierendes Halteelement 1620 (beispielsweise ein Keramikbauteil), das mit dem Gehäuse 1610 verbunden ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verbindungselement 1600 wenigstens zwei voneinander elektrisch abgeschirmte Kammern 1612, 1614 aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Ende 300a, 302a eines Kabels 300, 302 aufzunehmen und/oder zu führen. Bevorzugt ist eine elektrische Schirmung (nicht gezeigt) des jeweiligen Kabels 300, 302 mit der jeweiligen Kammer 1612, 1614 elektrisch leitend verbunden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verbindungselement 1600 ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontakte, insbesondere Federkontakte, 1622, 1624 zur Kontaktierung von wenigstens einem Kontaktelement 150a, 150b des Trägerelements 1300a aufweist. Vorliegend sind die Federkontakte 1622, 1624 an dem Halteelement 1620 angeordnet. Bevorzugt sind die einzelnen Leiter 300a', 302a' der Kabel 300, 302 mit den entsprechenden Federkontakten 1622, 1624 verbunden.
Durch das Verbindungselement 1600 ist es möglich, die elektrische Abschirmung der Sensorelektrode 120 und ihrer Zuleitung 120' auf der gesamten Länge im Bereich des Partikelsensors (also zwischen Sensorelektrode 120, Zuleitung 120' auf dem Trägerelement 130, Anschluss des Kontaktelements 150b an das Kabel 302) sicherzustellen.
10 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Trägerelements 1300c gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in teilweisem Querschnitt. Das Trägerelement 1300c ist vorliegend als i.w. rotationssymmetrisches Keramikbauteil ausgebildet, insbesondere als Keramikspritzgussteil, und weist eine i.w. hohlzylindrische Grundform auf. An seiner radialen Innenoberfläche sind eine Sensorelektrode 120 und eine weitere Elektrode 170 , z.B. eine Koronaelektrode, angeordnet. Während die Zuleitung 170' der Koronaelektrode 170 i.w. auf der Innenoberfläche angeordnet ist und in 10 nach rechts verläuft zu dem Kontaktelement 150i, ist die Zuleitung 120' der Sensorelektrode 120 in dem Bereich B1 radial nach außen geführt, durch die Wand des Trägerelements 1300c hindurch bis hin zu dem Kontaktelement 150b. Eine ebenfalls auf der Innenoberfläche angeordnete Abschirmelektrode 1305' schirmt die Zuleitung 120' in dem Bereich B2 gegenüber anderen Elementen wie z.B. Elektroden usw. elektrisch ab. Optional ist ein weiteres Trägerelement 1300d radial innerhalb des Trägerelements 1300c vorgesehen, das z.B. koaxial zu dem Trägerelement 1300c angeordnet ist. Das optionale weitere Trägerelement 1300d kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. rundlich oder eckig, insbesondere länglich, ausgebildet sein und wenigstens eine weitere Elektrode 171a und ggf. ein zugeordnetes Kontaktelement 171b aufweisen. Dabei schirmt die Abschirmelektrode 1305' die Zuleitung 120' der Sensorelektrode 120 in dem Bereich B2 auch wirksam vor einem elektrischen Feld der weiteren Komponenten 171a, 171b ab.
Die Kontaktelemente 150b, 150i, 171b des Trägerelements 1300c bzw. 1300d können vorteilhaft zur Kontaktierung eines weiteren Systems verwendet werden, beispielsweise mittels des vorstehend bereits unter Bezugnahme auf Fig, 9 beschriebenen Verbindungselements 1600, dessen Geometrie an die rotationssymmetrische Grundform des Trägerelements 1300c anzupassen ist.
Der Partikelsensor gemäß den Ausführungsformen kann u.a. vorteilhaft beispielsweise zur Diagnose (z.B. OBD, on board diagnosis) von Partikelfiltern für selbstzündende und fremdgezündete Brennkraftmaschinen verwendet werden.
Der Partikelsensor gemäß den Ausführungsformen ermöglicht eine zuverlässige Abschirmung z.B. der Sensorelektrode 120 und ihrer Zuleitung 120' von verschiedenen Störquellen wie z.B. Leckströmen und elektromagnetischem Übersprechen. Damit wird der Aufbau eines besonders zuverlässigen und kompakten (Ruß-)Partikelsensors möglich, wobei sich auch Kostenvorteile ergeben können.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ermöglichen vorteilhaft die Verminderung bzw. Vermeidung der folgenden nachteiligen Aspekte: Erhöhtes Ausfallrisiko durch Leckströme von einem „Hochspannungs“-Teil in die Sensorelektrode, hohe Komplexität in einem Steuergerät (SCU) für den Partikelsensor, einem Kabelbaum für den Partikelsensor und in dem Partikelsensor selbst, z.B. durch Vorsehung von Masseelektroden und virtuellen Masseelektroden, Ausfall der Sensorfunktion durch Störfelder bzw. induzierte Signale.
Nachfolgend sind Vorteile aufgeführt, die durch zumindest manche bevorzugte Ausführungsformen erzielbar sind: Hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Partikelsensors (weniger Leckströme), kostengünstige Serienherstellung in Planartechnik möglich, weniger Störungen auf dem Messsignal (z.B. Signal der Sensorelektrode 120), höheres SNR (Signal-zu-Rausch-Verhältnis), höhere Empfindlichkeit, einfacher Aufbau (SCU, Kabel, Sensor), gesteigerte Kosteneffizienz.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ermöglichen vorteilhaft eine effiziente Abschirmung auch in einem Kontaktbereich, vgl. Bezugszeichen 160 (1) bzw. die Kontaktelemente 150a, 150b (7) des Trägerelements 130, so dass auch in diesem Kontaktbereich kein Übersprechen von Zuleitungen z.B. der Koronaelektrode 112 auf Zuleitungen der Sensorelektrode 120 erfolgt, was die Signalqualität steigert und ein hohes SNR ermöglicht.

Claims

Partikelsensor (100; 100a) mit einer Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1) und mit einer Sensorelektrode (120) zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel (P') in dem Fluidstrom (A1), wobei der Partikelsensor (100; 100a) ein Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente der Partikelaufladeeinrichtung (110) und/oder der Sensorelektrode (120) aufweist, wobei das Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten (1302, 1304, 1306) aufweist.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) wenigstens ein Keramikspritzgussteil aufweist und/oder ein ein- oder mehrlagiges keramisches Folienlaminat aufweist bzw. ist, wobei insbesondere wenigstens eine der elektrisch isolierenden Schichten (1302, 1304, 1306) ein elektrisch isolierendes Keramikmaterial aufweist, insbesondere Aluminiumoxid, Al₂O₃.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) ein oder mehrere Funktionsschichten (1301, 1303, 1305) aufweist, die wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: a) eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. Beschichtung, b) ein oder mehrere Elektroden und/oder Zuleitungen für Elektroden, c) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten, die eine Heizfunktion aufweisen.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 3, wobei wenigstens eine der Funktionsschichten (1301, 1303, 1305) und/oder wenigstens eine Elektrode (120) mittels eines Siebdruckverfahrens hergestellt ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei wenigstens eine der Funktionsschichten (1301, 1303, 1305) und/oder wenigstens eine Elektrode (120) Platin und/oder wenigstens eine Platinlegierung und/oder Platin-Cermet aufweist.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Abschirmelektrode (121) vorgesehen ist, die die Sensorelektrode (120) zumindest bereichsweise umgibt.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf wenigstens einer Außenoberfläche (130a; 1308a; 1302a) des Trägerelements (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) wenigstens ein Kontaktelement (150a, 150b) zur elektrischen Kontaktierung einer Komponente des Partikelsensors (100; 100a) angeordnet ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verbindungselement (160; 1600) zur Verbindung des Trägerelements (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) mit wenigstens einem Kabel (300, 302) vorgesehen ist, wobei das Verbindungselement (160; 1600) ein Gehäuse (1610) aufweist, das zumindest bereichsweise eine elektrisch leitfähige Oberfläche (1610a, 1610b) aufweist und/oder das zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, besteht, und ein elektrisch isolierendes Halteelement (1620), das mit dem Gehäuse (1610) verbunden ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 8, wobei das Verbindungselement (160; 1600) wenigstens zwei voneinander elektrisch abgeschirmte Kammern (1612, 1614) aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Ende (300a, 302a) eines Kabels (300, 302) aufzunehmen und/oder zu führen.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei das Verbindungselement (160; 1600) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Federkontakte (1622, 1624) zur Kontaktierung von wenigstens einem Kontaktelement (150a, 150b) des Trägerelements (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors (100; 100a) mit einer Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1) und mit einer Sensorelektrode (120) zum Erfassen von Informationen bezüglich geladener Partikel (P') in dem Fluidstrom (A1), wobei der Partikelsensor (100; 100a) ein Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) zur Aufnahme von wenigstens einer Komponente der Partikelaufladeeinrichtung (110) und/oder der Sensorelektrode (120) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (200) des Trägerelements (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c) mit einem Schichtaufbau aus mehreren elektrisch isolierenden Schichten (1302, 1304, 1306), Anordnen (202) der wenigstens einen Komponente der Partikelaufladeeinrichtung (110) und/oder der Sensorelektrode (120) an dem Trägerelement (130; 1300; 1300a; 1300b; 1300c).