EP1875198A1 - Sensorelement für partikelsensoren und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Sensorelement für partikelsensoren und verfahren zum betrieb desselben

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EP1875198A1
EP1875198A1 EP06725448A EP06725448A EP1875198A1 EP 1875198 A1 EP1875198 A1 EP 1875198A1 EP 06725448 A EP06725448 A EP 06725448A EP 06725448 A EP06725448 A EP 06725448A EP 1875198 A1 EP1875198 A1 EP 1875198A1
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EP
European Patent Office
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sensor element
measuring
sensor
thermocouple
element according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06725448A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Diehl
Henrico Runge
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1875198A1 publication Critical patent/EP1875198A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F01N9/002—Electrical control of exhaust gas treating apparatus of filter regeneration, e.g. detection of clogging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0606—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/05—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a particulate sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2560/06—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a temperature sensor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention is based on a sensor element and a method for the determination of particles in gas mixtures and their use according to the type defined in the preamble of the independent claims.
  • a sensor for detecting particles in a fluid flow which is designed on the basis of a ceramic multilayer substrate. It comprises two measuring electrodes spaced apart from one another, which are exposed to the combustion exhaust gas to be investigated. If soot is deposited between the two measuring electrodes, a current flow between the measuring electrodes occurs when a voltage is applied to the measuring electrodes.
  • a layered heating element makes it possible to free the electrodes or their surroundings by thermal means from deposited soot particles.
  • the sensor further comprises a temperature measuring element with which the temperature of the sensor is detected can be.
  • the heating element is located within the laminate of the sensor between the temperature measuring element and the measuring electrodes.
  • Object of the present invention is to provide a sensor element for sensors and a method for determining the concentration of particles in gas mixtures, which allows accurate temperature control and yet relies on a simple overall design of the sensor element.
  • the sensor element comprises at least one measuring element exposed to the gas to be determined, at least one heating element integrated into the sensor element and at least one temperature measuring element integrated in the sensor element.
  • a combination of an electrical contact of the temperature measuring element with an electrical contact of one of the two other elements is provided.
  • the temperature measuring element is designed as a thermocouple.
  • two metallic interconnects of different thermoelectric voltage in the range of the temperature to be measured are brought into electrical contact with each other and it is determined at the open, a reference temperature exposed ends of the tracks adjusting potential difference.
  • the potential difference is a measure of the temperature to be measured.
  • thermocouple has a conductor of a platinum-rhodium alloy, in particular with the composition Pt 13Rh, since this alloy a
  • the sensor element has two measuring elements, which are arranged on opposite outer surfaces of the sensor element, since the resulting measurement results are then based on two independent measurements and thus on
  • an evaluation device which determines a change in the current flowing between the measuring electrodes of the measuring element current and outputs this as a measure of the particle concentration.
  • the sensor element or the method for operating the same is advantageously suitable for monitoring the mode of operation of a diesel engine or for checking the functional efficiency or the loading state of a particulate filter.
  • FIG. 1 shows a sensor element according to a first embodiment in an exploded view
  • FIG. 2 shows a detail of the sensor element shown in FIG. 1 in a plan view, - A -
  • FIG. 3 shows a sensor element according to a second exemplary embodiment in an exploded view
  • FIG. 4 shows a sensor element according to a third exemplary embodiment in an exploded view
  • Figure 5 shows a correlation of the thermal voltage of a Ptl3Rh thermocouple with the temperature to be determined in 0 C.
  • FIG. 1 shows a basic structure of an embodiment of the present invention.
  • the sensor element 10 is a ceramic sensor element which does not serve for the determination of particles such as soot particles in a gas mixture surrounding the sensor element.
  • the sensor element 10 includes, for example, a plurality of oxygen ion-conducting solid electrolyte layers I Ia, Ib and I lc.
  • the solid electrolyte layers I Ia and Ic are carried out as ceramic films and form a planar ceramic body. They preferably consist of an oxygen-ion-conducting solid electrolyte material, such as Y 2 O 3 stabilized or partially stabilized ZrO 2 , for example.
  • the solid electrolyte layer 11b is produced by screen printing of a pasty ceramic material, for example, on the solid electrolyte layer 11a.
  • a ceramic component of the pasty material the same solid electrolyte material is preferably used, from which also the solid electrolyte layers I Ia, l lc exist.
  • the sensor element 10 for example, a plurality of electrically insulating ceramic layers 12a, 12b, 12c, 12d, 12e and 12f.
  • the layers 12a-12f are likewise produced by screen printing of a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layers 11a, 11b, 11c.
  • a ceramic component of the pasty material for example, barium-containing aluminum oxide is used, since this has a largely constant high electrical resistance even with thermal cycling over a long period of time.
  • the use of ceria or the addition of other alkaline earth oxides is possible.
  • the integrated form of the planar ceramic body of the sensor element 10 is produced by laminating the ceramic films printed with the solid electrolyte layer 11b and with functional layers and the ceramic layers 12a-12f and then sintering the laminated structure in a manner known per se.
  • the sensor element 10 further has a ceramic heating element 40, which is designed in the form of an electrical resistance track and the heating of the sensor element 10 is used in particular to the temperature of the gas mixture to be determined or the burning of deposited on the large surfaces of the sensor element 10 soot particles.
  • the resistor track is preferably made of a cermet material; preferably as a mixture of platinum or a platinum metal with ceramic portions, such as alumina.
  • the resistance conductor track is furthermore preferably designed in the form of a meander and has plated-through holes 42, 44 as well as electrical contacts 46, 48 at both ends. By applying a corresponding heating voltage to the contacts 46, 48 of the resistor track, the heating power of the heating element 40 can be regulated accordingly.
  • two measuring electrodes 14, 16 are applied, which are preferably formed as interdigitated interdigital electrodes and form a measuring element.
  • interdigital electrodes as measuring electrodes
  • the 14, 16 advantageously enables a particularly accurate determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the surface material located between the measuring electrodes 14, 16.
  • contacts 18, 20 are provided in the region of an end of the sensor element facing away from the gas mixture.
  • the supply regions of the electrodes 14, 16 are preferably shielded by the electrically insulating layer 12a from the influences of a gas mixture surrounding the sensor element 10.
  • the layer thickness of the porous protective layer is preferably greater than the layer thickness of the measuring electrodes 14, 16.
  • the porous protective layer is preferably made open-porous, wherein the pore size is selected so that the particles to be determined in the gas mixture in the pores of the Porous protective layer can diffuse.
  • the pore size of the porous protective layer is preferably in a range of 2 to 10 microns.
  • the porous protective layer is made of a ceramic material which is preferably similar to or corresponds to the material of the layer 12a and can be produced by screen printing. The porosity of the porous protective layer can be adjusted accordingly by adding pore formers to the screen printing paste.
  • a voltage is applied to the measuring electrodes 14, 16. Since the measuring electrodes 14, 16 are arranged on the surface of the electrically insulating layer 12b, substantially no current flow initially occurs between the measuring electrodes 14, 16.
  • a gas mixture flowing around the sensor element 10 contains particles, in particular soot, it deposits on the surface of the sensor element 10. Since carbon black has a noticeable electrical conductivity, sufficient loading of the surface of the sensor element 10 or of the porous protective layer with soot results in an increasing current flow between the measuring electrodes 14, 16, which correlates with the extent of the loading.
  • a preferably constant direct or alternating voltage is applied to the measuring electrodes 14, 16 and the current flow occurring between the measuring electrodes 14, 16 or the rise of the current flow over time is determined, then the quotient of current flow increase and time or from the differential quotient of the current flow after the time on the deposited particle mass or on the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and be closed to the particle concentration in the gas mixture.
  • a calculation of the particle concentration is possible on the basis of the measured values, as long as the flow velocity of the gas mixture is known. This or the volume flow of the gas mixture can be determined, for example, by means of a suitable further sensor.
  • the sensor element 10 comprises a temperature measuring element 30, which is designed in the form of a thermocouple. Its function is based on the so-called Seebeck
  • thermocouple 30 An illustration of the thermocouple 30 can be seen in FIG.
  • the same reference numerals designate the same component components as in FIG. 1.
  • one of the measuring electrodes 14, 16 is used as the first conductor track of the thermocouple 30.
  • This is made of a first metal or metallic material, in particular PIatin.
  • the measuring electrode 16 for example, a branch 32, which to a
  • solder 34 leads.
  • the branch 32 is preferably in surface contact with a second conductor 36 of the thermocouple 30.
  • This is made of a second metal or metallic material, which is unlike the first metal or metallic material.
  • a noble metal alloy in particular a platinum alloy such as PtxRh, is preferably used as the second metallic material, where x represents a number from 6 to 30, preferably from 6 to 20 and in particular from 10 to 18.
  • PtxRh platinum alloy
  • a significant advantage of the use of these metallic materials is the fact that they can withstand high temperatures of over 1000 0 C permanently.
  • Alternative thermocouples may be based on nickel-chromium alloys in contact with a nickel track, or as copper-constantan thermocouples.
  • the second conductor track 36 of the thermocouple 30 is preferably electrically contacted via a further electrical contact 38 in a region of the sensor element facing away from the gas to be determined.
  • the further electrical contact 38 is made, for example, of the material of the second conductor track 36, this also applies to the not shown further electrical connection between the further electrical contact 38 and an evaluation device, not shown, by means of a between the first and the second conductor 32, Determined 36 occurring thermal voltage and is assigned by means of a map of a temperature of the gas mixture.
  • a more cost-effective solution is to make the contact 18 and / or the electrical connection of the contact 18 to the evaluation of a metallic material having a comparable Seebeck coefficient as the material of the branch 32, but lower material costs.
  • thermocouples which are designed as Pt 13Rh / Pt thermocouples, listed at certain measurement temperatures in the range of 0 - about 1700 0 C expected potential differences in millivolts.
  • thermoelectric voltage measured at the thermocouple is arbitrarily set to 0 mV for a measuring temperature of 0 ° C.
  • the influence of the ambient temperature is computationally eliminated from the measured thermoelectric voltage by means of a compensation in the form of a CoId junction compensation.
  • the coin-junction compensation is preferably integrated into the evaluation unit.
  • FIG. 3 shows a sensor element according to a second exemplary embodiment.
  • the same reference numerals designate the same component components as in FIGS. 1 and 2.
  • thermocouple can be integrated as a temperature measuring element 30 in the sensor element.
  • the temperature measuring element 30 is designed as a heating element 40 at the same time.
  • the thermocouple 30 has a first and a second conductor track 36, 37, wherein the conductor tracks 36, 37 preferably from those already at
  • Figure 1 for the second conductor 36 and the junction 32 described materials are executed.
  • the contacting of the first and second conductor track takes place via the through-contacts 42, 44 or the contacts 46, 48. If a heating of the sensor element is required, the temperature measuring element 30 is temporarily switched as a heating element. For this purpose, a corresponding heating voltage is applied to the contacts 46, 48 in this period.
  • the second conductor track 36 is preferably made of a platinum-rhodium alloy, this has due to the so-called alloy effect on a higher resistivity than a similarly sized conductor track of platinum.
  • the second conductor 36 which is made of a platinum-rhodium alloy, provided with a comparatively larger cross section than the first conductor 37 made of platinum, so that both conductors
  • one of the conductor tracks 36, 37 may also be connected to one of the contacts 18, 20 of the measuring electrodes 14, 16 by means of a suitable plated-through hole instead of the contacts 46, 48. In this way, the number of required electrical contacts of the sensor element is reduced to three contacts.
  • the contacting of the thermocouple is preferably carried out in such a way that when using the thermocouple as a heating element 40 in addition to Joule heating due to the electrical resistance of the tracks 36, 37 results in a heating by the Peltier effect.
  • FIG. 1 Another embodiment of a sensor element is shown in FIG.
  • the same reference numerals designate the same component components as in FIGS. 1 to 3.
  • the temperature measuring element 30 additionally formed as a heating element.
  • both conductor tracks 36, 37 are meander-shaped in the region of a desirably good heating of the sensor element.
  • the sensor element illustrated in FIG. 4 has a second measuring element which comprises the further measuring electrodes 14 ', 16' and which is preferably provided on a large surface of the sensor element opposite the first measuring element, for example on the ceramic layer 12e.
  • the second measuring element preferably has a further electrical contact 50.
  • the present invention is not limited to the embodiments of a sensor element illustrated in FIGS. 1 to 5, but numerous modifications of this sensor element may be made.
  • it is possible, for example, to provide additional ceramic layers in the sensor element or to simplify the multi-layer structure of the sensor element in relation to the application, as well as to provide further measuring electrodes.
  • the use of several heating and temperature measuring elements is possible.
  • the application of the sensor element described is not limited to the determination of soot particles in exhaust gases of internal combustion engines, but it can generally for determining the concentration of particles that change the electrical conductivity of a ceramic substrate during storage, for example in chemical manufacturing processes or

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Abstract

Es wird ein Sensorelement für Gassensoren, insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messelement (14, 16) und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30) beschrieben, wobei das Temperaturmesselement (30) als Thermoelement ausgeführt ist.

Description

Sensorelement für Partikelsensoren und Verfahren zum Betrieb desselben
Die Erfindung geht von einem Sensorelement und einem Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen sowie deren Verwendung gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art aus.
Stand der Technik
Um die Funktionstüchtigkeit aktueller in Kraftfahrzeugen eingesetzter Abgasnachbehandlungs- Systeme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im
Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilters ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.
So ist aus der DE 10 2005 003118 ein Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsab- gas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Spannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien. Der Sensor umfasst weiterhin ein Temperaturmesselement, mit dem die Temperatur des Sensors detektiert werden kann. Das Heizelement befindet sich innerhalb des Schichtverbundes des Sensors zwischen dem Temperaturmesselement und den Messelektroden. Nachteilig ist dabei der relativ aufwändige Aufbau des Sensors, da für die Messelektroden, das Temperaturmess- und das Heizelement jeweils separate und voneinander isolierte Schichtebenen im Sensor vorgesehen sein müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Sensoren und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen, das eine genaue Temperaturregelung gestattet und dennoch auf einen einfachen Gesamtaufbau des Sensor- elementes zurückgreift.
Vorteile der Erfindung
Das Sensorelement bzw. das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche hat den Vorteil, dass die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des Sensorelementes und auf einer geringeren Anzahl benötigter elektrischer Kontakte zur Steuerung des Sensorelementes. Das Sensorelement umfasst mindestens ein dem zu bestimmenden Gas ausgesetztes Messelement, mindestens ein in das Sensorelement integriertes Heizelement und mindestens ein in das Sensorelement integriertes Temperaturmesselement. Dabei ist insbesondere eine Zusammenlegung eines elektrischen Kontaktes des Temperaturmesselementes mit einem elektrischen Kontakt eines der beiden anderen Elemente vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Temperaturmesselement als Thermoelement ausgeführt. Dabei werden unter Ausnutzung des so genannten Seebeck-Effektes zwei metallische Leiterbahnen unterschiedlicher Thermospannung im Bereich der zu messenden Temperatur miteinander in elektrischen Kontakt gebracht und es wird die sich an den offenen, einer Referenztemperatur ausgesetzten Enden der Leiterbahnen einstellende Potentialdifferenz bestimmt. Die Potentialdifferenz stellt ein Maß für die zu messende Temperatur dar. Der Vorteil besteht darin, dass als erste Leiterbahn des Thermoelementes eine Leiterbahn herangezogen werden kann, die zur elektrischen Kontaktierung des Mess- oder des Heizelementes vorgesehen ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelementes bzw. Verfahrens zum Betrieb desselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist von Vorteil, wenn das Thermoelement eine Leiterbahn aus einer Platin-Rhodium- Legierung insbesondere mit der Zusammensetzung Pt 13Rh aufweist, da diese Legierung eine
Temperaturbestimmung bis 16000C gestattet.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Sensorelement zwei Messelemente aufweist, die auf sich gegenüberliegenden Außenflächen des Sensorelementes angeordnet sind, da die resultierenden Messergebnisse dann auf zwei voneinander unabhängigen Messungen basieren und somit an
Genauigkeit gewinnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden des Messele- mentes anliegenden Stromflusses ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.
Das Sensorelement bzw. das Verfahren zum Betrieb desselben ist in vorteilhafter Weise geeignet zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors bzw. zur Überprüfung der Funkti- onstüchtigkeit oder des Beladungszustands eines Partikelfilters.
Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensorelementes sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstel- lung,
Figur 2 einen Ausschnitt des in Figur 1 dargestellten Sensorelementes in einer Aufsicht, - A -
Figur 3 ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung,
Figur 4 ein Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstel- hing und
Figur 5 eine Korrelation der Thermospannung eines Ptl3Rh-Thermoelementes mit der zu bestimmenden Temperatur in 0C.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung von Parti- kein, wie beispielsweise Rußpartikeln, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenlei- tenden Festelektrolytschichten I Ia, 1 Ib und l lc. Die Festelektrolytschichten I Ia und 11c werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen vorzugsweise aus einem sauerstoffϊonenleitenden Festelektrolytmaterial, wie bei- spielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2.
Die Festelektrolytschicht 1 Ib wird dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht I Ia erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten I Ia, l lc bestehen.
Weiterhin weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f auf. Die Schichten 12a - 12f werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten I Ia, 1 Ib, l lc erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich. Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelementes 10 wird durch Zu- sammenlaminieren der mit den Festelektrolytschicht 1 Ib und mit Funktionsschichten sowie den keramischen Schichten 12a - 12f bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelementes 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42, 44 sowie elektrische Kontakte 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Kontakte 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.
Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind und ein Messelement bilden. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden
14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch die elektrisch isolierende Schicht 12a gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.
Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelementes 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Deck- oder Schutzschicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 14, 16 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schutzschicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schutzschicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schutzschicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schutzschicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 μm. Die poröse Schutzschicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 12a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schutzschicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.
Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 12b angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.
Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagert sich dieser auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine merkliche elektri- sehe Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Wird nun an die Messelektroden 14, 16 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechsel- Spannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 14, 16 auftretende Stromfluss bzw. der Anstieg des Stromflusses über der Zeit ermittelt, so kann aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten des Stromflusses nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Eine Be- rechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das in Form ei- nes Thermoelementes ausgeführt ist. Dessen Funktion beruht auf dem so genannten Seebeck-
Effekt, bei dem zwei Leiterbahnen aus zwei Metallen oder metallischen Werkstoffen, die unterschiedliche Thermospannungen aufweisen, miteinander in geeigneter Weise verbunden sind. Wird diese Verbindungs- oder Lötstelle einer ersten Temperatur ausgesetzt und werden die freien Enden der beiden Leiterbahnen einer zweiten Temperatur ausgesetzt, die von der ersten Temperatur verschieden ist, so kann zwischen den beiden freien Enden der Leiterbahnen eine Spannung in Form einer Thermospannung oder Thermokraft gemessen werden.
Eine Darstellung des Thermoelementes 30 ist Figur 2 zu entnehmen. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in Figur 1.
Um die Zahl der nötigen Kontakte des Sensorelementes 10 gering zu halten, wird vorzugsweise eine der Messelektroden 14, 16 als erste Leiterbahn des Thermoelementes 30 herangezogen. Diese ist aus einem ersten Metall oder metallischen Werkstoff ausgeführt, insbesondere aus PIa- tin. Weiterhin weist die Messelektrode 16 beispielsweise eine Verzweigung 32 auf, die zu einer
Lötstelle 34 führt. An der Lötstelle 34 steht die Verzweigung 32 vorzugsweise in einem flächigen Kontakt zu einer zweiten Leiterbahn 36 des Thermoelementes 30. Diese ist aus einem zweiten Metall oder metallischen Werkstoff ausgeführt, der ungleich dem ersten Metall oder metallischen Werkstoff ist. Dabei wird vorzugsweise als zweiter metallischer Werkstoff eine Edelme- talllegierung, insbesondere eine Platinlegierung wie PtxRh eingesetzt, wobei x eine Zahl von 6 bis 30, vorzugsweise von 6 bis 20 und insbesondere von 10 bis 18 darstellt. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung dieser metallischen Materialien ist darin zu sehen, dass sie hohen Temperaturen von über 10000C dauerhaft standhalten können. Alternative Thermoelemente können auf der Basis von Nickel-Chromlegierungen, die in Kontakt mit einer Leiterbahn aus Nickel stehen, ausgeführt sein oder als Kupfer-Konstantan-Thermoelemente.
Die zweite Leiterbahn 36 des Thermoelementes 30 ist vorzugsweise in einem dem zu bestimmenden Gas abgewandten Bereich des Sensorelementes über einen weiteren elektrischen Kontakt 38 elektrisch kontaktiert. Der weitere elektrische Kontakt 38 ist beispielsweise aus dem Material der zweiten Leiterbahn 36 ausgeführt, dies gilt auch für die nicht dargestellte weitere elektrische Verbindung zwischen dem weiteren elektrischen Kontakt 38 und einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung, mittels der eine zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn 32, 36 auftretende Thermospannung bestimmt und mittels eines Kennfeldes einer Temperatur des Gasgemisches zugeordnet wird. Eine kostengünstigere Lösung besteht darin, den Kontakt 18 und/oder die elektrische Verbindung des Kontaktes 18 mit der Auswerteeinheit aus einem metallischen Material auszuführen, das einen vergleichbaren Seebeck-Koeffizienten aufweist wie das Material der Verzweigung 32, jedoch geringere Materialkosten bedingt. Gleiches gilt für den weiteren elektrischen Kontakt 38 bzw. die elektrische Verbindung des weiteren elektrischen Kontaktes 38 mit der Auswerteeinheit Die Bestimmung der an der Lötstelle 34 vorherrschenden Temperatur erfolgt, indem mittels der Auswerteeinheit die zwischen den beiden freien Enden der ersten und zweiten Leiterbahn 32, 26 gemessene Potentialdifferenz mit einer entsprechenden Messtemperatur korreliert wird. Dazu ist beispielsweise in der Auswerteeinheit eine Korrelation möglicher Messtemperaturen mit zu er- wartenden Spannungswerten bezogen auf ein Thermoelement mit festgelegter Ausführung hinterlegt. Ein Beispiel einer derartigen Korrelation ist in Figur 5 abgebildet. Dort sind für Thermoelemente, die als Pt 13Rh / Pt-Thermoelemente ausgeführt sind, die bei bestimmten Messtemperaturen im Bereich von 0 - ca. 17000C zu erwartenden Potentialdifferenzen in Millivolt aufgeführt. Die einer bestimmten Temperatur zuzuordnende Potentialdifferenz ergibt sich, in- dem die als Spaltenüberschrift der betrachteten Potentialdifferenz genannte Temperatur in 0C zu der als Zeilenüberschrift der betrachteten Potentialdifferenz genannten Temperatur in 0C addiert wird. Es zeigt sich, dass PtI 3Rh / Pt-Thermoelemente im gesamten Temperaturmessbereich für die jeweiligen Messtemperaturen charakteristische Spannungswerte zeigen.
Dabei wird die am Thermoelement gemessene Thermospannung willkürlich für eine Messtemperatur von 00C gleich 0 mV gesetzt. Um zu vermeiden, dass die gemessene Thermospannung von der Umgebungstemperatur abhängig ist, die im Bereich der Auswerteeinheit herrscht, wird mittels einer Kompensation in Form einer so genannten CoId- Junction-Compensation der Ein- fluss der Umgebungstemperatur rechnerisch aus der gemessenen Thermospannung eliminiert. Die CoId- Junction-Compensation ist dabei vorzugsweise in die Auswerteeinheit integriert.
In Figur 3 ist ein Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den Figuren 1 und 2.
Das in einer Explosionsdarstellung dargestellte Sensorelement gemäß zweitem Ausführungsbeispiel stellt eine weitere Möglichkeit dar, wie ein Thermoelement als Temperaturmesselement 30 in das Sensorelement integriert werden kann. Dabei ist das Temperaturmesselement 30 gleichzeitig als Heizelement 40 ausgestaltet. Dazu weist das Thermoelement 30 eine erste und eine zweite Leiterbahn 36, 37 auf, wobei die Leiterbahnen 36, 37 vorzugsweise aus den bereits bei
Figur 1 für die zweite Leiterbahn 36 bzw. die Verzweigung 32 beschriebenen Materialien ausgeführt sind. Die Kontaktierung der ersten und zweiten Leiterbahn erfolgt über die Durchkon- taktierungen 42, 44 bzw. die Kontakte 46, 48. Wird eine Beheizung des Sensorelementes benötigt, so wird das Temperaturmesselement 30 temporär als Heizelement geschaltet. Dazu wird an die Kontakte 46, 48 in diesem Zeitraum eine entsprechende Heizspannung angelegt.
Da die zweite Leiterbahn 36 vorzugsweise aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgeführt ist, weist diese bedingt durch den so genannten Legierungseffekt einen höheren spezifischen Widerstand auf als eine gleich dimensionierte Leiterbahn aus Platin. Um eine einseitige Erwärmung des Sensorelementes während der Beheizung zu verhindern, wird daher die zweite Leiterbahn 36, die aus einer Platin-Rhodium-Legierung ausgeführt ist, mit einem vergleichsweise größeren Querschnitt versehen als die erste Leiterbahn 37 aus Platin, sodass beide Leiterbahnen
36, 37 einen vergleichbaren elektrischen Widerstand aufweisen.
Alternativ kann eine der Leiterbahnen 36, 37 mittels einer geeigneten Durchkontaktierung anstatt mit den Kontakten 46, 48 auch mit einem der Kontakte 18, 20 der Messelektroden 14, 16 verbunden sein. Auf diese Weise verringert sich die Anzahl der nötigen elektrischen Kontakte des Sensorelementes auf drei Kontakte. Die Kontaktierung des Thermoelementes erfolgt vorzugsweise in einer Weise, dass sich bei Verwendung des Thermoelementes als Heizelementes 40 zusätzlich zur Jouleschen Erwärmung aufgrund des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen 36, 37 eine Erwärmung durch den Peltier-Effekt ergibt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes ist in Figur 4 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen weiterhin gleiche Bauteilkomponenten wie in den Figuren 1 bis 3.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wie bei dem in Figur 3 abgebildeten
Sensorelement das Temperaturmesselement 30 zusätzlich als Heizelement ausgebildet. Um der letztgenannten Funktion besonders gut gerecht werden zu können, sind vorzugsweise beide Leiterbahnen 36, 37 im Bereich einer erwünschtermaßen guten Beheizung des Sensorelementes mäanderförmig ausgebildet.
Weiterhin weist das in Figur 4 dargestellte Sensorelement ein zweites Messelement auf, das die weiteren Messelektroden 14', 16' umfasst und das vorzugsweise auf einer dem ersten Messelement gegenüberliegenden Großfläche des Sensorelementes beispielsweise auf der keramischen Schicht 12e vorgesehen ist. Das zweite Messelement weist dabei vorzugsweise einen weiteren elektrischen Kontakt 50 auf. Durch die Verwendung zweier voneinander unabhängig ausgestal- teter Messelemente erhöht sich die Messgenauigkeit des Sensorelementes und dessen Messergebnisse sind weitgehend von Strömungsverhältnissen in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch unabhängig.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen eines Sensorelementes beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses Sensorelementes vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelementes anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich.
Die Anwendung des beschriebenen Sensorelementes ist nicht auf die Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern es kann allgemein zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln, die die elektrische Leitfähigkeit eines keramischen Substrats bei Einlagerung verändern, beispielsweise in chemischen Herstellungsprozessen oder
Abluftnachbehandlungsanlagen, eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement für Gassensoren, insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gas ausgesetzten Messelement und mindestens einem in das Sensorelement integrierten Temperaturmesselement (30), dadurch gekenn- zeichnet, dass das Temperaturmesselement (30) als Thermoelement ausgeführt ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement aus einer ersten und einer zweiten miteinander in Kontakt stehenden Leiterbahn (32, 36, 37) ausgeführt ist, wobei die erste Leiterbahn als metallische Komponente eine Platin-Rhodium- Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung enthält.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platin-Rhodium- Legierung einen Rhodiumgehalt von 6 bis 30 Gew. % aufweist.
4. Sensorelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platin-Rhodium-
Legierung die Zusammensetzung PtIORh oder Ptl3Rh hat.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterbahn als metallische Komponente Platin enthält.
6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement eine erste und eine zweite Messelektrode (14, 16) umfasst, wobei eine der Messelektroden (14, 16) mit dem Thermoelement in elektrischem Kontakt steht.
7. Sensor dement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement (40) vorgesehen ist, wobei das Thermoelement mit einem der elektrischen Anschlüsse des Heizelementes (40) in elektrischem Kontakt steht.
8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messelemente (14, 16) auf sich gegenüberliegenden Außenflächen des Sensorelementes vorgesehen sind.
9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die eine Veränderung des zwischen den Messelektroden (14, 16) anliegenden Stromflusses und/oder Widerstandes ermittelt und dies als Maß für die Partikelkonzentration ausgibt.
10. Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abga- sen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelementes nach einem der vorhergehenden
Ansprüchen, wobei an mindestens zwei Messelektroden (14, 16) eine Spannung angelegt wird und der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand mit einer über ein Thermoelement (30) bestimmten Temperatur korreliert wird und durch Auswertung eines Kennfeldes, in dem die Temperaturabhängigkeit des sich zwischen den Messelektroden (14, 16) ein- stellenden Stromflusses oder elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Partikelbeladung hinterlegt ist, ein Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird.
12. Gassensor zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere Rußsensor, mit einem Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Auswerteeinheit enthalten ist, in die eine Korrelation zwischen einer mittels dem Sensorelement bestimmten Thermospannung und einer zu bestimmenden am Sensorelement herrschenden Messtemperatur integriert ist.
13. Verwendung eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder 11 oder eines Sensors nach Anspruch 12 zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors oder zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit und/oder des Beladungszustands eines Partikelfϊlters.
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