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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht von einem Sensor zur Detektion von Teilchen in einem
Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln
in einem Abgasstrom, gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
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Die
Detektion von Teilchen in einem Gasstrom wird in der Praxis auf
verschiedene Art und Weise vorgenommen. Eine Möglichkeit der Detektion besteht
in der Messung von Ladungen, die auf ein Messelektrodensystem durch
vorbeifliegende elektrisch geladene Partikel influenziert werden.
Außerdem
ist die Bestimmung von Partikeln in einem Gasstrom mit Hilfe optischer
Methoden wie z. B. anhand einer Lichtschranke oder einer Trübung bekannt.
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Des
weiteren ist die Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem
aus der Praxis bekannten Sensor der einleitend genannten Art bekannt,
welcher insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einem Dieselverbrennungsmotor
zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit
eines in einem Abgasstrang angeordneten Rußfilters eingesetzt wird.
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Beispielsweise
ist bei einem bekannten Sensor der einleitend genannten Art ein
Substrat einem Abgas ausgesetzt, so dass sich gegebenenfalls in dem
Abgas enthaltene Teilchen, wie Rußteilchen, auf dem Substrat
ablagern können.
Durch die Ablagerung der Rußteilchen
auf dem Substrat verringert sich dessen elektrischer Widerstand.
Zur Messung des elektrischen Widerstandes dienen zwei Elektroden,
die auf dem Substrat angeordnet sind.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere
von Rußpartikeln
in einem Abgasstrom, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1, bei dem das Substrat einen Festkörperelektrolyten
umfasst, in dem mindestens zwei Sauerstoffpumpzellen ausgebildet
sind, welchen jeweils ein Elektrodenpaar zugeordnet ist, hat den
Vorteil, dass mittels dieses Sensors ein semikontinuierliches hochtemperaturbeständiges Messverfahren
durchgeführt
werden kann, das mit geringem messtechnischem Aufwand langzeitstabil
eingesetzt werden kann.
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Der
Sensor nach der Erfindung kann beispielsweise zur Anordnung in einem
Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselmotor oder auch
zum Einsatz im Bereich der Haustechnik bei einer Ölheizung
ausgelegt sein, wobei er eine einfache und kostengünstige Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
von Filtern ermöglicht.
Je nach Einsatzgebiet kann der Sensor in einem entsprechend ausgebildeten
Gehäuse
angeordnet sein.
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Der
Festkörperelektrolyt
des Sensors nach der Erfindung ist beispielsweise eine Keramik,
die ab einer Temperatur von ungefähr 400°C für Sauerstoff leitend ist.
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Die
Sauerstoffpumpzellen, die in dem Festkörperelektrolyten ausgebildet
sind, weisen jeweils Grenzflächen
auf, die jeweils von einer Elektrode gebildet sind und die beidseits
des Festkörperelektrolyten
angeordnet sind. Wenn sich der Sauerstoffgehalt des jeweils an den
beiden Grenzflächen
vorliegenden Mediums unterscheidet, so tritt zwischen den beiden
Grenzflächen
ein Spannungsgefälle
auf, welches als Maß für den sich
unterscheidenden Sauerstoffgehalt herangezogen werden kann. Insofern
entspricht diese Arbeitsweise der Sauerstoffpumpzellen der Arbeitsweise
einer bei λ-Sonden
ausgebildeten Sauerstoffpumpzelle.
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Der
Sensor nach der Erfindung kann so ausgelegt sein, dass eine der
Sauerstoffpumpzellen durch in einem Abgas enthaltene Teilchen derart
beeinträchtigt
wird, dass deren Sauerstoffpumpleistung stärker als diejenige der anderen
Sauerstoffpumpenzelle nachlässt.
Hieraus lässt
sich auf eine Teilchenkonzentration im Abgas schließen.
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Den
beiden Elektrodenpaaren kann bei einer speziellen Ausführungsform
eine gemeinsame Elektrode zugeordnet sein. In diesem Fall umfasst
der Sensor drei Elektroden, die den beiden Sauerstoffpumpzellen
zugeordnet sind.
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Die
Elektroden des Sensors nach der Erfindung können beispielsweise aus Platin
bestehen und nach einem dickschichttechnologischen Verfahren auf
das Substrat aufgedruckt sein.
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Der
Sensor kann aus mehreren planaren Schichten ausgebildet sein, wobei
der Festkörperelektrolyt
eine dieser planaren Schichten bildet. Dann sind die Elektrodenpaare
der Sauerstoffpumpzellen jeweils beidseits dieser planaren Schicht
angeordnet. Die an einer Seite dieser Schicht angeordneten Elektroden
sind jeweils einer Referenz, wie beispielsweise der Umgebung, ausgesetzt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Sensors nach der Erfindung ist zumindest einer der Sauerstoffpumpzellen
eine Diffusionsbarriere vorgeschaltet, so dass sich bei potentiometrischer
Betriebsweise des Sensors eine zeitliche Messsignaldifferenz zwischen
den beiden Pumpzellen bzw. bei amperometrischer Betriebsweise des
Sensors eine zwischen den beiden Pumpzellen differierende Stromdichte
einstellt. Bei einem teilchenfreien Abgas stellt sich eine konstante,
geringe zeitliche Differenz der Messsignale bzw. eine konstante
differierende Stromdichte ein. Dadurch, dass eine der Sauerstoffpumpzellen
bei in einem Abgasstrom enthaltenen Partikeln einem stärker abnehmenden
Sauerstoffstrom ausgesetzt ist, verändert sich der Signalunterschied
zwischen den beiden Pumpzellen deutlich. Die Geschwindigkeit der Änderung
sowie die Höhe
der Signaldifferenzen kann als Maß für die Konzentration an Teilchen
in dem betreffenden Abgas verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist beiden Sauerstoffpumpzellen jeweils eine Diffusionsbarriere
vorgeschaltet, wobei sich die Diffusionskoeffizienten der beiden
Diffusionsbarrieren dann unterscheiden können.
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Die
Diffusionsbarrieren können
aus Strukturen unterschiedlicher Porösität bestehen. Es ist aber auch
denkbar, dass die mindestens eine Diffusionsbarriere derart ausgebildet
ist, dass sie aus einer Kammer mit einem kleinen Diffusionsloch
oder einem Diffusionsspalt besteht.
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Die
Diffusionsbarriere kann als mindestens eine Schutzschicht für eine Elektrode
ausgebildet sein. Sie stellt dann vorzugsweise eine hochporöse Schicht
dar, die im sauberen bzw. unbelasteten Zustand sauerstoffdurchlässig ist
und als Schutz gegen abrasive Abgasbestandteile dient. Bei in einem
Abgas auftretenden Teilchen setzt sich diese Schutzschicht zu.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
des Sensors ist jeweils eine Elektrode der beiden Elektrodenpaare
auf der abgaszugewandten Oberseite des Sensors angeordnet, wobei
diese beiden Elektroden mit einer gemeinsamen hochporösen Schutzschicht versehen
sind, welche sowohl den Schutz der Elektroden gegen abrasive Abgasbestandteile
gewährleistet
als auch bei amperometrischer Funktionsweise des Sensors eine Diffusionsbarriere
für die
jeweils als Pumpzelle ausgebildeten elektrochemischen Zellen bildet.
Vorteilhafterweise ist dabei eine der oberseitigen Elektroden zusätzlich mit
einer Schicht geringerer Porösität abgedeckt.
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Befinden
sich zu detektierende Teilchen in dem Abgas, so lagern sich diese
besonders effektiv an der Abdeckstruktur geringerer Porösität an, so dass
diese bevorzugt verstopft wird. Dadurch verändert sich bei potentiometrischer
Betriebsweise die zeitliche Differenz der beiden Messsignale und
bei amperometrischer Betriebsweise die Differenz der Signalamplituden
der beiden Pumpzellen deutlich. Die Geschwindigkeit dieser Änderung
und die Höhe der
Signaldifferenzen kann als Maß für die Konzentration
an Teilchen in dem betreffenden Abgas benutzt werden.
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Entsprechend
können
die Mündungen
der Diffusionskanäle
jeweils mit einer Schutzschicht abgedeckt sein.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform des
Sensors nach der Erfindung sind die Diffusionsbarrieren und die
Pumpzellen thermisch getrennt. Diese Trennung ermöglicht es,
die Pumpzellen auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 800°C zu betreiben,
so dass ein Grenzstrombetrieb bei hoher Pumpstromdichte möglich ist.
Gleichzeitig können
die Diffusionsbarrieren bei Temperaturen von etwa 300°C betrieben
werden, so dass sich dort Rußpartikel
anlagern können,
ohne zersetzt zu werden.
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Der
Sensor nach der Erfindung kann mit einer gepumpten Referenz arbeiten
und/oder mindestens einen Kanal aufweisen. Unter einer gepumpten Referenz
wird eine Referenzelektrode verstanden, die in Kontakt mit einem
geschlossenen inneren Gasraum des Sensors steht oder deren Oberfläche mit einer
porösen
Festelektrolytschicht bedeckt ist.
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Ist
ein Kanal vorgesehen, so ist dieser bevorzugt in einer separaten
Schicht ausgebildet und entweder mit der Umgebung als Referenz verbunden oder
dem Abgas ausgesetzt, in welchem der Sensor angeordnet ist. Im ersteren
Fall ist der Kanal als Referenzkanal ausgebildet. Im letzteren Fall
ist der Kanal als sogenannter Referenzdiffusionskanal ausgebildet.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Sensor zwei Referenzdiffusionskanäle, die jeweils mit einer Diffusionsbarriere
ausgebildet sind. Die Diffusionsbarrieren haben jeweils eine unterschiedliche
Porösität, so dass
sich diejenige mit der geringeren Porösität beim Auftreten von Teilchen in
dem zu messenden Abgas schneller zusetzt und dadurch die Menge an
Sauerstoff, die jeweils an die auf einer Seite des Substrats angeordneten
Elektroden gelangt, unterschiedlich groß ist bzw. sich durch das Zusetzen
mit Teilchen unterschiedlich stark verändert.
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Die
Diffusionskanäle
sind beispielsweise derart mit dem zu messenden Medium, d. h. dem
Abgas verbunden, dass ihnen jeweils ein Loch zugeordnet ist, das
in dem bevorzugt schichtartigen Substrat ausgebildet ist. Die beiden
Löcher
können
mit Schichten unterschiedlicher Porösität abgedeckt sein, die mithin
unterschiedliche Diffusionskoeffizienten aufweisen.
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Die
Löcher
in dem Substrat und die in einer zweiten Schicht ausgebildeten Diffusionskanäle können bei
Fertigung nach einem Siebdruckverfahren entweder als Hohlräume, die
mittels eines freibrennenden Materials, wie beispielsweise Glaskohle,
erzeugt werden, oder auch gefüllt
ausgebildet sein. Im letzteren Fall sind sie mit einem porösen Material,
wie porösem
Zirkoniumdioxid, dem Glaskohle oder Aluminiumoxid beigemischt ist,
gebildet. Die Ausbildung der Diffusionskanäle und der Löcher als
Druckschichten begünstigt
die Festigkeit der Diffusionsbarrieren, insbesondere bei Ausbildung
als poröse
Schichten.
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Es
ist auch möglich,
die Löcher
mit Diffusionsbarrieren auszufüllen,
die auch die Funktion von Schutzschichten übernehmen und aus unterschiedlich
porösem
Material bestehen. Dann können
die Schutzschichten, die oberhalb der Löcher angeordnet sind, entfallen.
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Um
den Sensor nach der Erfindung von abgelagerten Teilchen reinigen
zu können,
weist er vorzugsweise mindestens ein Heizelement auf. Zur Reinigung
der Diffusionsbarrieren ist es dabei vorteilhaft, wenn ein Heizelement
im Bereich der Diffusionsbarrieren angeordnet ist.
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Um
ein möglichst
großes
Messsignal, d.h. möglichst
große
Pumpströme
in den Sauerstoffpumpzellen, zu erhalten, ist es vorteilhaft, die
beiden Diffusionsbarrieren, die jeweils einer Sauerstoffpumpzelle
zugeordnet sind, thermisch voneinander getrennt auszubilden.
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Vorteilhaft
ist eine der Diffusionsbarrieren in der Nähe der Sauerstoffpumpzelle
angeordnet, so dass diese Diffusionsbarriere während des Betriebs des Sensors
dauerbeheizt ist und sich somit oxidierbare Teilchen nicht anlagern
können
bzw. schnell verbrennen. An der zweiten Diffusionsbarriere, die
sich im Betrieb des Sensors auf einem niedrigeren Temperaturniveau
befindet, ist hingegen eine Anlagerung von Teilchen möglich, so
dass sich, wenn Teilchen in dem betreffenden Gasstrom enthalten
sind, eine hohe Sauerstoffdurchlässigkeitsdifferenz
zwischen der verstopften, unbeheizten und der nicht verstopften,
dauerbeheizten Diffusionsbarriere einstellt.
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Des
weiteren kann, wenn ein Heizelement im Bereich der Diffusionsbarrieren
angeordnet ist, bei einer derartigen thermischen Trennung der Diffusionsbarriere
dieses Heizelement auf den Bereich derjenigen Diffusionsbarriere
beschränkt
sein, die beim Vorliegen von Teilchen in dem Gasstrom verstopft.
Damit muss nur eine vergleichsweise kleine geometrische Fläche mittels
des Heizelements erhitzt werden, so dass das Heizelement klein und
energiesparend ausgelegt werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung weist der Sensor eine Fangstruktur für im Gasstrom
befindliche Teilchen auf, so dass die Anlagerung von Teilchen an
den Diffusionsbarrieren unterstützt
wird. Die Fangstruktur kann beispielsweise als Fanghülse oder
als reliefartige Oberfläche
ausgebildet sein.
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Der
Festkörperelektrolyt
kann beispielsweise aus einem Werkstoff wie Yttrium-stabilisiertem
Zirkoniumdioxid bestehen.
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Der
Sensor kann des weiteren eine Trägerschicht
aufweisen, welche beispielsweise ebenfalls aus Yttrium-stabilisiertem
Zirkoniumdioxid besteht und die mit einer Aluminiumoxid-Isolationsschicht versehen
ist.
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Nach
einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführungsform kann der Sensor
nach der Erfindung zumindest teilweise in Siebdrucktechnik hergestellt
sein.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Fünf Ausführungsbeispiele
des Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine Explosionsdarstellung
eines Russsensors;
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2 eine alternative Ausführungsform
eines Russsensors;
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3 eine dritte Ausführungsform
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4 eine vierte Ausführungsform
und
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5 einen Ausschnitt des in 4 dargestellten Russsensors
gemäß einer
fünften
Ausführungsform.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Sensor 1 zur
Detektion von Rußpartikeln
in einem Abgas eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Der Sensor 1 ist
zum Einbau in einen Abgasstrang ausgebildet und hierzu in einem
hier nicht näher
dargestellten Gehäuse
angeordnet.
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Der
Sensor 1 ist in sogenannter Dickschichttechnologie nach
einem Siebdruckverfahren hergestellt und umfasst eine Trägerschicht 2,
die aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht und mit einer
nicht dargestellten Isolationsschicht aus Aluminiumoxid überzogen
ist. In die Trägerschicht 2 ist
ein elektrisches Heizelement 3 integriert, das über Kontaktierungen 4 und 5 mit
einer Spannungsquelle verbindbar ist. Das Heizelement 3 dient
zur Reinigung des Sensors 1 von sich gegebenenfalls an
dem Sensor anlagernden Rußpartikeln.
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Auf
der Trägerschicht 2 ist
eine zweite Schicht 6 angeordnet, in welcher ein sogenannter Referenzkanal 7 ausgebildet
ist, der sich in Längsrichtung
der zweiten Schicht 6 erstreckt und der mit der Umgebung
in Verbindung steht, d. h. mit Luft gefüllt ist. Die zweite Schicht 6 ist
von einer dritten Schicht 8 überdeckt, die einen Festkörperelektrolyten aus
Yttrium-stabilisiertem
Zirkoniumdioxid darstellt und in welcher zwei Sauerstoffpumpzellen,
d. h. zwei elektrochemische Zellen, ausgebildet sind. Die beiden
Sauerstoffpumpzellen sind mittels zweier Elektrodenpaare 9A, 9B und 10A, 10B gebildet,
wobei jeweils eine Elektrode 9B bzw. 10B an der
der zweiten Schicht 6 zugewandten Seite des Festkörperelektrolyten 8 angeordnet
ist, so dass sie den Referenzkanal 7 begrenzt, und die
jeweils andere Elektrode 9A bzw. 10A an der der
zweiten Schicht 6 abgewandten Seite des Festkörperelektrolyten 8 angeordnet
ist. Diese Seite des Festkörperelektrolyten 8 ist
in Betrieb dem im Abgasstrang strömenden Abgas ausgesetzt.
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Die
an der dem Abgas ausgesetzten Seite des Festkörperelektrolyten 8 angeordneten
Elektroden 9A und 10A sind über Leitungen 11 und 12 mit Kontaktierungen 13 und 14 verbunden.
Die den Referenzkanal 7 begrenzenden Elektroden 9B und 10B sind über Leitungen 15 und 16 mit
sogenannten Durchkontaktierungen 17 bzw. 18 verbunden.
Die Kontaktierungen 13 und 14 sowie die Durchkontaktierungen 18 und 17,
die den Festkörperelektrolyten 8 durchgreifen,
sind mit einer Mess- und Steuereinheit verbindbar.
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Die
Elektroden 9A und 10A sind zum Schutz gegen abrasive
Abgasbestandteile mit einer hochporösen Schutzschicht 19 versehen,
die beim Betrieb der mittels der Elektrodenpaare 9A, 9B und 10A, 10B sowie
dem Festkörperelektrolyten 8 gebildeten
elektrochemischen Zellen eine Diffusionslimitierung bzw. -barriere
darstellt.
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Oberhalb
der Elektrode 10A ist zusätzlich eine Schicht 20 auf
der Schutzschicht 19 angebracht. Die Schicht 20 weist
eine definierte Struktur mit geringer Porösität auf und bildet eine weitere Diffusionsbarriere
für Sauerstoff.
Die Schicht 20 setzt sich bei Auftreten von Teilchen wie
Rußpartikeln
im Abgas bevorzugt zu, so dass die Durchlässigkeit für Sauerstoff abnimmt.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines
Russsensors 30 dargestellt, die zum Einbau in einen Abgasstrang
eines Kraftfahrzeugs dienen kann. Entsprechend dem Sensor nach
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1 ist der Russsensor 30 in
einem nicht dargestellten Gehäuse
angeordnet.
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Der
Sensor 30 umfaßt
eine Trägerschicht 2, deren
Aufbau demjenigen der Trägerschicht
des Sensors nach 1 entspricht.
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Auf
der Trägerschicht 2 ist
eine zweite Schicht 31 angeordnet, in welcher zwei an der
der Trägerschicht 2 abgewandten
Seite angeordnete sogenannte Diffusionskanäle 32 und 33 ausgebildet sind.
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Auf
der zweiten Schicht 31 ist wiederum eine dritte Schicht 34 angeordnet,
die aus Yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht und an deren
der zweiten Schicht 31 zugewandten Seite zwei Elektroden 35 und 36 angeordnet
sind, die in einem Endbereich der Diffusionskanäle 32 und 33 liegen,
und an deren der zweiten Schicht 31 abgewandten Seite eine
dritte Elektrode 37 angeordnet ist. Die Elektroden 35 und 36 bilden
jeweils mit der dritten Elektrode 37 eine sogenannte Sauerstoffpumpzelle,
d.h. eine elektrochemische Zelle.
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An
den den Elektroden 35 und 36 abgewandten Enden
der Diffusionskanäle 32 und 33 sind
in dem Festkörperelektrolyten 34 zwei
Löcher 38 und 39 ausgebildet,
die in die Diffusionskanäle 32 und 33 münden und
beispielsweise mittels poröser
Schutzschichten 40 bzw. 41 abgedeckt sind. Die
Schutzschichten 40 und 41 weisen unterschiedliche
Porösitäten auf,
bilden jeweils eine Diffusionsbarriere und gewährleisten einen Schutz der
Elektroden 35 und 36 gegen abrasive Abgasbestandteile.
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Die
Diffusionsbarrieren 40 und 41, deren Diffusionskoeffizienten
sich unterscheiden, sind aufgrund der Entfernung zu den Elektroden 35, 36 und 37 von
den durch diese Elektroden gebildeten elektrochemischen Zellen thermisch
getrennt.
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An
dem Festkörperelektrolyten 34 ist
ein Heizelement 42 ausgebildet, das zum Freibrennen der Schutzschichten 40 und 41 von
Rußteilchen
dient.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform
eines Rußsensors 50 dargestellt,
der ebenfalls in einem dem jeweiligen Einsatzzweck angepassten, nicht
dargestellten Gehäuse
angeordnet ist.
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Der
Aufbau des Sensors 50 entspricht im wesentlichen demjenigen
des Sensors nach 2.
Jedoch ist der Sensor 50 so ausgelegt, dass die Diffusionsbarrieren 40 und 41 thermisch
voneinander getrennt sind. Dies ist dadurch gewährleistet, dass die Diffusionsbarriere 40 vorzugsweise
in der Nähe
der den Sauerstoffpumpzellen zugeordneten Pumpelektroden 35, 36 und 37 angeordnet
ist. Der Bereich der Pumpelektroden 35, 36, 37 stellt
im Betriebszustand des Sensors 50 eine dauerbeheizte Zone
dar. Entsprechend ist das Loch 38, welchem die Diffusionsbarriere 40 zugeordnet
ist, in der Nähe
der dauerbeheizten Zone mit den beiden aus den Elektroden 35 und 37 bzw. 36 und 37 und
dem Substrat 34 gebildeten Sauerstoffpumpzellen in dem
Substrat 34 ausgebildet.
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Das
Loch 38 führt
bei dieser Ausführungsform
zu einem in der zweiten Schicht 31 ausgebildeten Diffusionskanal 32,
der der aus den Elektroden 35 und 37 gebildeten
Sauerstoffpumpzelle zugeordnet ist und eine geringere Längserstreckung
als der zweite Diffusionskanal 32 hat, der der aus den
Elektroden 36 und 37 gebildeten Sauerstoffpumpzelle
zugeordnet ist und dem die Diffusionsbarierre 41 zugeordnet
ist. Die Porösitäten der
Diffusionsbarrieren 40 und 41 sind verschieden.
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Des
weiteren ist an dem Festkörperelektrolyten 34 ein
Heizelement 42 ausgebildet, das der Diffusionsbarriere
bzw. Schutzschicht 41 zugeordnet ist und mittels dem ein
Freibrennen derselben möglich ist.
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Vorzugsweise
entsprechen sich die Wegstrecken zwischen den beiden Diffusionsbarrieren 40 und 41 und
den jeweiligen Elektroden 35 bzw. 36 im wesentlichen.
Dies wird beispielsweise durch eine nicht dargestellte U-förmige Struktur
des kürzeren Diffusionskanals 32 erreicht.
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Im
Betrieb des Sensors 50 wird die Differenztemperatur zwischen
den beiden Diffusionsbarrieren 40 bzw. 41 auf
einen konstanten Wert eingestellt. Die sich hieraus ergebenden unterschiedlichen
Temperaturen in den beiden Diffusionskanälen 32 und 33 bewirken
zwar unterschiedliche Diffusionskonstanten und damit einen zeitlichen
Versatz zwischen den beiden mittels der Elektroden 35 und 37 bzw. 36 und 37 gemessenen Signalströmen. Der
zeitliche Versatz ist jedoch konstant und kann elektronisch oder
auch durch entsprechende Ausbildung der Diffusionskanäle 32 und 33 kompensiert
werden.
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Bei
amperometrischer Betriebsweise der Elektrodenpaare 35 und 37 bzw. 36 und 37 ergibt sich
durch Pumpen von Sauerstoff aus den Diffusionskanälen 32, 33 in
Richtung der Elektrode 37 bei einem partikelfreien Abgasstrom
eine konstante Differenz der sogenannten Pumpstromdichten. Diese Differenz
beruht auf den unterschiedlichen Diffusionskonstanten der beiden
Diffusionsbarrieren 40 und 41.
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Beim
Vorliegen von Teilchen im Abgasstrom lagern sich diese bevorzugt
an der im Betrieb des Sensors 50 nicht beheizten Diffusionsbarriere 41 an, welche
eine geringere Porösität als die
Diffusionsbarriere 40 aufweist. Die Diffusionsbarriere 41 wird
demnach bevorzugt verstopft, was zu einer Veränderung der Differenz der Pumpstromdichten
und damit der gemessenen Signalamplituden der beiden Elektrodensysteme 35, 37 bzw. 36, 37 führt. Die
Geschwindigkeit dieser Änderung
und der Betrag der Signalamplitudendifferenzen dienen als Maß für die Konzentration
von Teilchen in dem betreffenden Abgasstrom.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungen können die
beiden Heizelemente 3 und 42 neben ihrer Reinigungsfunktion
des weiteren zur Messung der Temperatur an den Diffusionsbarrieren 40, 41 und
den Sauerstoffpumpzellen 35, 37 bzw. 36, 37 dienen.
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Eine
vierte Ausführungsform
eines Rußsensors 70 ist
in 4 dargestellt, der
ebenfalls in einem dem jeweiligen Einsatzzweck angepassten, nicht dargestellten
Gehäuse
angeordnet ist.
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Der
Aufbau des Sensors 70 entspricht im wesentlichen demjenigen
des Sensors nach 3.
Jedoch sind im Bereich mindestens einer Diffusionsbarriere 40, 41 jeweils
zwei weitere Elektroden 51a, 5lb bzw. 52a, 52b vorgesehen,
an die bei Bedarf eine entsprechende Hochspannung angelegt werden kann,
sodass es zu einer dielektrisch behinderten Entladung kommt. Die
dabei resultierenden angeregten Spezies bzw. das dabei sich bildende
Ozon unterstützt
die Entfernung von auf den Diffusionsbarrieren 40, 41 abgelagerten
Partikeln. Insbesondere ermöglicht
die Reinigung der Diffusionsbarrieren 40, 41 mittels
Entladung gegenüber
einer rein thermischen Reinigung auch die Entfernung von Öl- oder
Additivaschen. Um die Elektroden 51a, 5lb bzw. 52a, 52b vor aggressiven
Abgasbestandteilen zu schützen, kann jeweils
eine der weiteren Elektroden 51a, 51b bzw. 52a, 52b oder
auch jeweils beide Elektroden mit einer nicht dargestellten korrosionsbeständigen Schutzschicht
versehen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des vorliegenden Sensors ist in der Nähe der Diffusionsbarriere 41 eine
nicht dargestellte weitere Heizvorrichtung vorgesehen, sodass im
Bedarfsfall beide Diffusionsbarrieren 40, 41 sowohl
thermisch als auch über eine
Entladung von angelagerten Partikeln befreit werden können. Um
eine möglichst
große
wirksame Entladungsfläche
zu erhalten, können
die Flächen der
weiteren Elektroden 51a, 51b bzw. 52a, 52b verschieden
groß ausgeführt werden.
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Des
weiteren können
zwischen den weiteren Elektroden 51a, 51b bzw. 52a, 52b zwei
Dielektrika mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante vorgesehen sein.
Eine derartige Ausführungsform
ist ausschnittsweise in 5 dargestellt.
Zwischen den weiteren Elektroden 51a, 51b ist
ein erstes Dielektrikum 61 vorzugsweise in doppelter Ausführung beispielsweise
jeweils benachbart zu der entsprechenden weiteren Elektrode 51a, 5lb vorgesehen
sowie ein zweites Di elektrikum vorzugsweise in Form der Diffusionsbarriere 41.