EP2847571A1 - Sensorelement mit cermet grundschicht und platin deckschicht - Google Patents

Sensorelement mit cermet grundschicht und platin deckschicht

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EP2847571A1
EP2847571A1 EP13722336.8A EP13722336A EP2847571A1 EP 2847571 A1 EP2847571 A1 EP 2847571A1 EP 13722336 A EP13722336 A EP 13722336A EP 2847571 A1 EP2847571 A1 EP 2847571A1
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EP
European Patent Office
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sensor element
measuring electrode
platinum
ceramic
base layer
Prior art date
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Withdrawn
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EP13722336.8A
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Johannes Ante
Markus Herrmann
Andreas Ott
Willibald Reitmeier
Manfred Weigl
Andreas Wildgen
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Publication date
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    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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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
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    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element for a sensor for detecting substances contained in a gas flow, in particular of soot particles in the exhaust gas of an internal combustion engine, with a support made of ceramic and an open-air gas jet arranged on the support. NEN measuring electrode.
  • Such a sensor element is known and described for example in DE 10 2010 044 308 AI. It is used in particular as a soot sensor in the exhaust system of diesel engines.
  • the measuring electrode By means of the measuring electrode, the proportion of soot particles contained in the exhaust gas flow is detected, for example via a resistance, capacitance or impedance measurement, and supplied in the form of electrical signals to a control device of the internal combustion engine.
  • the measuring electrode is in this case designed as an open, exposed to the gas flow electrode and has, for example, the shape of an interdigital electrode (comb electrode). It consists of fine conductor tracks, which are applied to a carrier made of ceramic, in particular imprinted.
  • the support is preferably formed as a plate-shaped elongated member and consists, as mentioned, of a ceramic material such as alumina.
  • the conductor track structure of the measuring electrode is provided with corresponding conductor connections, which lead to corresponding connection contacts.
  • Such sensor elements of Part. Kelsensoren are further provided with heating means to periodically clean the electrode exposed to the gas stream, on which the particles contained in the gas stream deposit with increasing measurement duration in an increasing manner. For this purpose, a heating takes place the measuring electrode and thereby a burning of the deposited particles, which are thereby removed from the measuring electrode.
  • the present invention has for its object to provide a sensor element of the type described above, the measuring electrode is characterized by a particularly good adhesion to the carrier in avoiding unwanted deposits.
  • the measuring electrode has a base layer arranged on the carrier, made of a ceramic-platinum cermet and a top layer of sintered platinum arranged on the base layer.
  • the combination of cermet base layer and platinum top layer according to the invention achieves optimum adhesion to the ceramic carrier and deposit protection. It has been shown that the cermet layer has a very good adhesion to the ceramic carrier. However, since such a layer is also associated with a very high deposition tendency by exhaust particles (ash, sulfur, metal oxides, etc.), it is poorly suited as a cover layer or contact layer with the gas stream. Experiments have shown here that after about 2,000 hours of operation strong deposits have occurred.
  • cover layer or contact layer is a layer of pure platinum. Such a layer has a good protection against unwanted deposits.
  • Cermet or cermets are a group of materials of two separate phases (of a metallic and a ceramic component), which differ in certain properties, in particular hardness, melting point, from each other.
  • An example of a ceramic-platinum cermet is a silicide-based one, such as a MoSi 2 -Pt cermet.
  • the base layer is made of a ceramic-platinum printing paste.
  • the measuring electrode is formed from a cermet base pressure and a platinum upper pressure.
  • the measuring electrode is preferably produced by a combined printing technique, whereby an increase in the adhesion of the measuring electrode to the ceramic carrier and a minimization of undesired deposits on the measuring electrode are achieved.
  • the sensor element designed according to the invention is used in particular in all sensors with open sensor contact materials, preferably in a soot sensor. dung.
  • the measuring electrode is preferably designed as an interdigital electrode (comb electrode).
  • the measuring electrode is designed to apply an alternating voltage. By applying an alternating voltage during operation of the measuring electrode, unwanted deposits can be further minimized.
  • a glass-bound platinum paste can also be used as the base coat.
  • Figure 1 is a schematic plan view of the sensor element of an interdigital sensor
  • FIG. 2 shows an enlarged partial section through the sensor element of FIG. 1.
  • FIG. 1 schematically shows a plan view of the sensor element 1 of an interdigital sensor, which is, for example, a soot sensor.
  • the measuring electrode 2 is formed in this sensor element as an interdigital electrode or comb electrode. It is formed at one end of the associated carrier 5 of the sensor element. Corresponding printed conductors of the measuring electrode 2 extend over a region 3 provided with an insulation into a contact region 4.
  • the measuring electrode 2 is formed as an open, the gas flow, for example, an exhaust system of a diesel engine, exposed electrode.
  • the corresponding conductor tracks are applied to the carrier 5 shown in FIG. in the
  • the measuring electrode 2 is made of a cermet basic pressure 6, which consists of a ceramic-platinum printing paste is manufactured, and a platinum-top pressure 7 together.
  • the measuring electrode 2 is thus produced by a combined printing technique.
  • the cermet base pressure increases the adhesion of the measuring electrode to the ceramic carrier, while the platinum top pressure minimizes unwanted deposits on the measuring electrode.

Abstract

Es wird ein Sensorelement für einen Sensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Substanzen beschrieben. Das Sensorelement besitzt einen Träger aus Keramik und eine auf dem Träger angeordnete, dem Gasstrom ausgesetzte, offene Messelektrode. Die Messelektrode weist eine auf dem Träger angeordnete Grundschicht aus einem Keramik-Platin-Cermet und eine auf der Grundschicht angeordnete Deckschicht aus gesintertem Platin auf. Hierdurch ergeben sich besonders gute Eigenschaften in Bezug auf das Haftungsvermögen am Träger und einen Schutz gegen unerwünschte Ablagerungen.

Description

Beschreibung
SENSORELEMENT MIT CERMET GRUNDSCHICHT UND PLATIN DECKSCHICHT Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Sensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Substanzen, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Träger aus Keramik und einer auf dem Träger angeordneten, dem Gasstrom ausgesetzten offe- nen Messelektrode.
Ein derartiges Sensorelement ist bekannt und beispielsweise in der DE 10 2010 044 308 AI beschrieben. Es findet insbesondere als Rußsensor im Abgassystem von Dieselmotoren Verwen- dung. Mithilfe der Messelektrode wird beispielsweise über eine Widerstands-, Kapazitäts- oder Impedanzmessung der Anteil der im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel erfasst und in der Form von elektrischen Signalen einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt.
Die Messelektrode ist hierbei als offene, dem Gasstrom ausgesetzte Elektrode ausgebildet und hat beispielsweise die Form einer Interdigitalelektrode (Kammelektrode) . Sie besteht aus feinen Leiterbahnen, die auf einen Träger aus Keramik aufge- bracht, insbesondere aufgedruckt sind. Der Träger ist vorzugsweise als plattenförmiges längliches Element ausgebildet und besteht, wie erwähnt, aus einem keramischen Werkstoff, wie Aluminiumoxid. Die Leiterbahnstruktur der Messelektrode ist mit entsprechenden Leiterbahnanschlüssen versehen, die zu entsprechenden Anschlusskontakten führen.
Solche Sensorelemente von Part. kelsensoren sind ferner mit Heizeinrichtungen versehen, um die dem Gasstrom ausgesetzte Elektrode, auf der sich die im Gasstrom enthaltenen Partikel mit fortschreitender Messdauer in zunehmender Weise ablagern, periodisch reinigen zu können. Hierzu erfolgt ein Aufheizen der Messelektrode und dadurch ein Verbrennen der abgelagerten Partikel, die dadurch von der Messelektrode entfernt werden.
Auf diesen offenen Messelektroden lagern sich jedoch mit zu- nehmender Messdauer auch feste, anorganische und nicht verbrennbare Abgasbestandteile ab, was dazu führt, dass die offenen Messelektroden mit nichtleitenden Stoffen abgedeckt und somit gegen den Zutritt der zu messenden Partikel (gegen Rußzutritt) elektrisch und mechanisch isoliert werden. Hierdurch geht die Messfunktion der Messelektroden verloren. In Tests am Motorprüfstand wurde nach einem Betrieb von 2.000 - 3.000 Stunden eine völlige Bedeckung der Messelektroden festgestellt . Ein weiteres Problem bei derartigen Sensorelementen besteht darin, für eine sichere und dauerhafte Haftung der Messelektrode auf dem Träger aus keramischem Werkstoff zu sorgen. So hat sich beispielsweise bei Messelektroden aus reinem Platin gezeigt, dass diese zwar über einen relativ langen Zeitraum (bis 3.000 Betriebsstunden) verminderte bis keine Ablagerungen an unerwünschten nicht verbrennbaren Abgasbestandteilen aufweisen, jedoch keine dauerhafte Haftung auf dem Keramikträger besitzen. Dies trifft insbesondere auf reine Pt-Dick- schichtdrucke (gesintertes Platin ohne Glas- und ohne Kera- mikbestandteile ) zu.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Messelektrode sich bei Vermeidung von unerwünschten Ablagerungen durch eine besonders gute Haftung am Träger auszeichnet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Sensorelement der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Messelektrode eine auf dem Träger angeordnete Grundschicht, aus einem Kera- mik-Platin-Cermet und eine auf der Grundschicht angeordnete Deckschicht aus gesintertem Platin aufweist. Durch die erfindungsgemäße Kombination aus Cermet-Grund- schicht und Platin-Deckschicht wird ein Optimum an Haftung am Keramikträger und an Ablagerungsschutz erreicht. Es hat sich gezeigt, dass die Cermet-Schicht eine sehr gute Haftung am Keramikträger besitzt. Da eine derartige Schicht jedoch auch mit einer sehr hohen Ablagerungstendenz durch Abgaspartikel (Asche, Schwefel, Metalloxide etc.) verbunden ist, ist sie als Deckschicht bzw. Kontaktschicht mit dem Gasstrom wenig geeignet. Versuche haben hier gezeigt, dass nach ca. 2.000 Betriebs stunden starke Ablagerungen aufgetreten sind.
Als Deckschicht bzw. Kontaktschicht eignet sich hingegen eine Schicht aus reinem Platin. Eine solche Schicht besitzt einen guten Schutz gegen unerwünschte Ablagerungen.
Mit Cermet oder Metallkeramiken wird eine Gruppe von Werkstoffen aus zwei getrennten Phasen (aus einem metallischen und einem keramischen Bestandteil) bezeichnet, die sich in bestimmten Eigenschaften, insbesondere Härte, Schmelzpunkt, voneinander unterscheiden. Ein Beispiel für ein Keramik- Platin-Cermet ist ein solches auf Silicid-Basis , wie ein MoSi2-Pt-Cermet . Vorzugsweise ist die Grundschicht (Haftvermittlungsschicht) aus einer Keramik-Platin-Druckpaste hergestellt. Weiter bevorzugt ist die Messelektrode aus einem Cermet-Grunddruck und einem Platin-Oberdruck gebildet. Die Messelektrode wird somit erfindungsgemäß vorzugsweise durch eine kombinierte Druck- technik hergestellt, wobei hierdurch eine Erhöhung der Haftung der Messelektrode am Keramikträger und eine Minimierung von unerwünschten Ablagerungen auf der Messelektrode erreicht werden .
Das erfindungsgemäß ausgebildete Sensorelement findet insbe- sondere bei allen Sensoren mit offenen Sensor-Kontaktmateria- lien, vorzugsweise bei einem Rußsensor (Soot Sensor), Verwen- dung. Die Messelektrode ist vorzugsweise als Interdigital- elektrode (Kammelektrode) ausgebildet.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Messelektrode zum An- legen einer Wechselspannung ausgebildet. Durch Beaufschlagung mit einer Wechselspannung im Betrieb der Messelektrode können unerwünschte Ablagerungen weiter minimiert werden.
Alternativ kann als Grundschicht auch eine glasgebundene Pla- tinpaste verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf das Sensorelement eines Interdigitalsensors und
Figur 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch das Sensorele- ment der Figur 1.
Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Sensorelement 1 eines Interdigitalsensors, bei dem es sich beispielsweise um einen Rußsensor handelt. Die Messelektrode 2 ist bei diesem Sensorelement als Interdigitalelektrode oder Kammelektrode ausgebildet. Sie ist an einem Ende des zugehörigen Trägers 5 des Sensorelementes ausgebildet. Entsprechende Leiterbahnen der Messelektrode 2 erstrecken sich über einen mit einer Isolierung versehenen Bereich 3 bis in einen Kontaktbe- reich 4.
Die Messelektrode 2 ist als offene, dem Gasstrom, beispielsweise eines Abgassystems eines Dieselmotors, ausgesetzte Elektrode ausgebildet. Die entsprechenden Leiterbahnen sind auf den in Figur 2 dargestellten Träger 5 aufgebracht. Im
Einzelnen setzt sich dabei die Messelektrode 2 aus einem Cer- met-Grunddruck 6, der aus einer Keramik-Platin-Druckpaste hergestellt ist, und einem Platin-Oberdruck 7 zusammen. Die Messelektrode 2 ist somit durch eine kombinierte Drucktechnik hergestellt. Durch den Cermet-Grunddruck wird eine Erhöhung der Haftung der Messelektrode am Keramikträger erreicht, wäh- rend der Platin-Oberdruck zu einer Minimierung von unerwünschten Ablagerungen auf der Messelektrode sorgt.

Claims

Sensorelement für einen Sensor zur Detektion von in einem Gasstrom enthaltenen Substanzen, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem Träger aus Keramik und einer auf dem Träger angeordneten, dem Gasstrom ausgesetzten offenen Messelektrode, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelektrode (2) eine auf dem Träger (5) angeordnete Grundschicht aus einem Keramik-Platin-Cermet und einer auf der Grundschicht angeordnete Deckschicht aus gesintertem Platin aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Grundschicht aus einer Keramik-Platin- Druckpaste hergestellt ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelektrode (2) aus einem Cermet-Grunddruck (6) und einem Platin- Oberdruck (7) gebildet ist.
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelektrode (2) als Interdigitalelektrode ausgebildet ist .
Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelektrode (2) zum Anlegen einer Wechselspannung ausgebildet ist.
EP13722336.8A 2012-05-09 2013-05-02 Sensorelement mit cermet grundschicht und platin deckschicht Withdrawn EP2847571A1 (de)

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