EP2901134A1

EP2901134A1 - Sensor zur detektion von teilchen

Info

Publication number: EP2901134A1
Application number: EP13753629.8A
Authority: EP
Inventors: Christian Doering; Marc Brueck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-08-05
Also published as: DE102012217428A1; US20150253233A1; US9933352B2; WO2014048660A1; KR20150058252A; CN104685340A; CN104685340B

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst mindestens zwei Messelektroden (16) und ein Heizelement (14). Die Messelektroden (16) sind auf einem Chip (18) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bzw. auf diesem über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht angeordnet. Der Sensor (10) umfasst ferner ein keramisches Substrat (12), auf dem das Heizelement (14) angeordnet ist. Der Chip (18) ist mit dem keramischen Substrat (12) verbunden. Der Chip (18) besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.

Description

Beschreibung Titel

Sensor zur Detektion von Teilchen

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, bekannt.

Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Detektion von

Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, beschrieben.

Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik

angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder

Staubpartikeln, in einem Abgas zu messen. Dies kann beispielsweise durch eine

Messung des elektrischen Widerstands des die beiden Elektroden trennenden

keramischen Werkstoffs erfolgen. Genauer wird der elektrischer Strom gemessen, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden zwischen diesen fließt. Die Rußpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Je mehr dieser Brücken vorhanden sind, umso mehr steigt der gemessene Strom. Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden.

Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer

Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor der Dieselbauart, eingesetzt. Üblicherweise befinden sich diese Sensoren stromabwärts des Auslassventils bzw. des Dieselpartikelfilters. Aufgrund eines steigenden Umweltbewusstseins und auch bedingt durch gesetzliche Vorschriften, muss zukünftig der Rußausstoß während des Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs überwacht und die Funktionalität der

Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie beispielsweise eines Partikelfilters,

sichergestellt werden. Diese Art der Überwachung der Funktionalität wird allgemein als On-Board-Diagnose bezeichnet. Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose von

Dieselpartikelfiltern notwendig. Eine Möglichkeit hierzu bietet ein resistiver Rußsensor, der die Widerstandsänderung einer interdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund von

Rußanlagerungen zur Detektion des Rußes heranzieht. Aufgrund seiner Funktionsweise ordnet sich der resistive Rußsensor bei den sammelnden Prinzipien an.

Die DE 10 2006 002 1 1 1 A1 beschreibt beispielsweise einen Rußpartikelsensor, der aus einer Keramik-Mehrlagentechnologie, d.h. aus mehreren übereinander angeordneten Schichten, aufgebaut ist. Die Mehrlagentechnologie ermöglicht eine kompakte und robuste Bauweise, bei der sich die Funktionen Rußsensierung, Heizung und

Temperatursensierung auf verschiedenen Ebenen übereinander realisieren lassen. Die Interdigitalelektroden aus Platin, zwischen denen sich bei Anliegen einer elektrischen Potenzialdifferenz Rußbrücken ausbilden, die somit durch Kurzschluss das Sensorsignal ergeben, werden dabei in Siebdrucktechnik auf der Oberseite des Keramiksubstrats aufgebracht. Die Empfindlichkeit des Sensors ist im Wesentlichen durch den Abstand zwischen den Interdigitalelektroden begrenzt, der so klein wie möglich angestrebt wird.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So weist der oben beschriebene Aufbau des Sensors aus Keramik eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Entsprechend muss das Heizelement mit einer höheren Heizleistung ausgelegt sein, um eine zum Freibrennen des Sensors ausreichende Temperatur mit der geforderten Dynamik sicherzustellen. Dadurch steigt der

Stromverbrauch. Ferner erfordert der mit diesen Sensoren erreichbare elektrische

Signalstrom in der Größenordnung von μΑ eine Potenzialdifferenz von mehr als 40 V, weshalb die Signalverarbeitung ein eigenes Steuergerät benötigt. Dadurch gestaltet sich die Applikation des Sensors aufwändig. Die Herstellung von Sensoren aus Materialien, wie beispielsweise Silizium, erlaubt zwar eine fotolithografische Feinstrukturierung des Interdigitalelektrodenmessbereichs und bietet somit das Potenzial, auf ein

Sensorsteuergerät verzichten zu können, um Kosten vorteile zu erzielen, allerdings ist aufgrund der wesentlich größeren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Keramik ein erheblicher prozesstechnischer Aufwand zu treiben, um den

Interdigitalelektrodenmessbereich thermisch so gut zu isolieren, dass die für die

Regeneration nötige Heizleistung beherrschbar bleibt. Darüber hinaus ist Silizium zu teuer, um es als Material in Bereichen des Sensors zu verwenden, wo seine Vorzüge gar nicht zur Geltung kommen oder wo andere Eigenschaften, wie beispielsweise Sprodigkeit, sogar eher von Nachteil sind.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Sensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeiden kann. Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere von

Rußpartikeln, umfasst mindestens zwei Messelektroden und ein Heizelement, wobei die Messelektroden auf einem Chip aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, wobei der Sensor ferner ein keramisches Substrat umfasst, auf dem das

Heizelement angeordnet ist, wobei der Chip mit dem keramischen Substrat verbunden ist.

Das keramische Substrat kann eine Aussparung aufweisen, wobei der Chip in der Aussparung angeordnet ist. Das keramische Substrat kann so ausgebildet sein, dass das keramische Substrat den Chip in der Aussparung fixiert. Die Messelektroden können über das keramische Substrat elektrisch kontaktierbar sein, insbesondere über mindestens zwei Leiterbahnen auf dem keramischen Substrat. Die Messelektroden können ineinandergreifend ausgebildet sein. Die Messelektroden können kreisförmig und/oder sternförmig auf dem Chip angeordnet sein. Das keramische Substrat kann eine

Oberfläche des Chips, auf der die Messelektroden angeordnet sind, teilweise bedecken. Das keramische Substrat kann den Chip so bedecken, dass ein kreisförmiger, ovaler, rechteckiger oder polygonaler Bereich der Oberfläche des Chips freiliegt, wobei die Elektroden innerhalb des kreisförmigen Bereichs angeordnet sind. Das keramische Substrat kann einen Schichtaufbau umfassen. Der Schichtaufbau kann zumindest eine erste Schicht, auf der das Heizelement angeordnet ist, und mindestens eine zweite Schicht umfassen, wobei die zweite Schicht so angeordnet ist, dass sie eine Oberfläche des Chips, auf der die Messelektroden angeordnet sind, teilweise bedeckt. Die zweite

Schicht kann Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren der Messelektroden aufweisen. Das keramische Substrat kann zu einer Oberfläche des Chips hin, auf der die

Messelektroden angeordnet sind, abgerundet ausgebildet sein. Der Chip kann das Heizelement berühren. Der Chip kann eine Dicke von 500 μηη bis 800 μηη, bevorzugt von 550 μηη bis 750 μηη und noch bevorzugter von 600 μηη bis 700 μηη aufweisen. Der Chip kann eine Breite von 2 mm bis 4 mm, bevorzugt von 2,5 mm bis 3,5 mm und noch bevorzugter von 2,75 mm bis 3,25 mm aufweisen. Der Chip kann zumindest teilweise aus einem anorganischen Halbleitermaterial hergestellt sein. Der Chip kann beispielsweise im Wesentlichen aus Silizium hergestellt sein. Unter Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere elektrisch leitfähige Teilchen zu verstehen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel.

Unter Messelektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektroden zu verstehen, die für eine Strom-Spannungsmessung geeignet sind.

Unter einer Strom-Spannungsmessung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Messung zu verstehen, bei der entweder an die Messelektroden eine bestimmte elektrische Spannung angelegt wird und ein elektrischer Stromfluss zwischen den Messelektroden gemessen wird oder an die Messelektroden ein elektrischer Strom angelegt wird und eine elektrische Spannung zwischen den Messelektroden gemessen wird. Eine Strom-Spannungsmessung kann insbesondere eine Widerstandsmessung sein, wobei ein Widerstand des durch die Messelektroden und das Substrat gebildeten Aufbaus gemessen werden kann. Es kann beispielsweise eine spannungsgesteuerte oder spannungsgeregelte Messung und/oder eine stromgesteuerte und/oder stromgeregelte Messung erfolgen. Das Anlegen des Stroms und/oder der Spannung kann in Form eines kontinuierlichen Signals und/oder auch in Form eines gepulsten Signals erfolgen. So können beispielsweise eine Gleichspannung und/oder ein Gleichstrom angelegt werden und eine Stromantwort bzw. eine Spannungsantwort erfasst werden. Alternativ können eine gepulste Spannung und/oder ein gepulster Strom angelegt werden und eine

Stromantwort bzw. eine Spannungsantwort erfasst werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher unter einer Messgröße eine durch die Strom-Spannungsmessung ermittelte Größe zu verstehen, die entsprechend ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein kann. Auch ein daraus

hergeleiteter elektrischer Widerstand kann als Messgröße verwendet werden.

Unter Interdigitalelektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektroden zu verstehen, die so angeordnet sind, dass sie ineinander eingreifen, insbesondere kammförmig ineinander eingreifen. Unter einem elektrisch isolierenden Werkstoff ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Werkstoff zu verstehen, der geeignet ist, einen Stromfluss zu verhindern, wie beispielsweise eine Keramik. Insbesondere können Silizium und/oder Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid verwendet werden.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das geeignet ist, den Sensor derart zu erwärmen, dass die zwischen den Messelektroden angelagerten Teilchen beseitigt werden. Dies kann beispielsweise durch elektrische Energie erfolgen, die in Joulesche Wärme umgewandelt wird. Beispielsweise ist das Heizelement als resistives Heizelement ausgebildet, d. h. als elektrische

Widerstandsbahn. Beispielsweise wird an das Heizelement eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Stromfluss durch Leiterbahnen des Heizelements führt. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Leiterbahnen kommt es zu einer Wärmeentwicklung Die Wärme wird dabei unter anderem an Bereiche des Substrats zwischen den

Messelektroden, in denen sich die Teilchen abgelagert haben, abgegeben. Dabei werden Temperaturen von ca. 700 °C erreicht.

Unter einem Chip ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein ungehäustes Substrat in Quader- oder Plättchenform zu verstehen. Ein solcher„Nacktchip" kann durch Sägen oder Brechen eines fertig bearbeiteten Wafers in rechteckige Teile gewonnen werden, auf denen sich je ein vollständiges, funktionsfähiges Bauteil befindet, wie beispielsweise die Messelektroden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst ein keramisches Substrat auch einen Mehrschichtaufbau. Das heißt, das keramische Substrat kann aus mehreren Schichten bzw. Folien aufgebaut sein. Unter einer Schicht ist dabei eine flächige Erstreckung eines einheitlichen Materials in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, zwischen, unter oder auf anderen Bauteilen angeordnet sein kann. Unter einer Dicke des Chips ist dabei eine Abmessung parallel zu einer

Anordnungsrichtung eines derartigen Schichtaufbaus zu verstehen, d.h. senkrecht zu den jeweils größten Oberflächen der übereinander angeordneten Schichten.

Unter einer Breite des Chips ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung senkrecht zu einem derartigen Schichtaufbau und senkrecht zu einer

Erstreckungsrichtung des Sensors zu verstehen. Unter einer Herstellung aus„im Wesentlichen" einem Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Herstellung des jeweiligen Bauteils zu mindestens 70 Vol.-% aus diesem Material zu verstehen. Beispielsweise bedeutet die Angabe„das Bauteil ist im Wesentlichen aus Silizium hergestellt", dass das Bauteil zu mindestens 70 Vol.-% aus Silizium hergestellt ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile des bewährten Keramik- Mehrlagenaufbaus, der eine gewisse thermische und mechanische Robustheit und niedrige Wärmeleitfähigkeit bietet, mit den Vorteilen der Siliziumtechnologie,

insbesondere der Mikrostrukturierbarkeit, kombiniert. Dabei wird ein für die Messfunktion optimales Siliziumbauteil in ein Keramiksubstrat integriert. Insbesondere wird die

Mikrostrukturierung zur Verbesserung der Empfindlichkeit auf einen Siliziumchip beschränkt, der lediglich die Messelektroden beinhaltet und als solcher unverrückbar in eine entsprechende Aussparung im Keramikaufbau eingefügt wird. Das hat den Vorteil, dass Silizium als teurer Werkstoff nur dort verwendet wird, wo er funktionale Vorteile bietet, wodurch sich die Ausbeute an Siliziumchips pro Wafer erhöht. Auf den Siliziumchip kann mit bekannten Verfahren Platin in Dünnschicht aufgesputtert und fotolithografisch strukturiert werden, wodurch Strukturgrößen, wie beispielsweise Gaps und

Elektrodenbreiten, von bis zu 1 μηη realisierbar sind. Durch diese Maßnahme ist ein

Sensorsignalstrom in der Größenordnung von 1 mA bei einer Potenzialdifferenz von 12 V erreichbar, wobei je nach Design der Messelektrodenstruktur zusätzlich deutlich geringere Auslösezeiten als bei einem Keramikelement erzielbar sind, wie beispielsweise 30 s im Vergleich zu 300 s bei herkömmlichen Sensoren. Silizium als Chipwerkstoff hat darüber hinaus eine je nach Temperaturniveau 15- bis 30-fach höhere Wärmeleitfähigkeit und insgesamt einen höheren Temperaturleitwert als das Keramikmaterial, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, wodurch sich beim Heizen für den Regenerationszyklus im Bereich der Messelektroden eine homogenere Temperaturverteilung bei gleichzeitig schnellerer Aufheizzeit einstellt. Für die Begrenzung der maximal zur Regeneration benötigten Heizleistung ist es wichtig, dass die übrigen Bereiche des stabförmigen Sensors eine niedrige Wärmeleitfähigkeit haben, um den Abfluss der Heizleistung ins Gehäuse zu minimieren. Durch die Verwendung von Keramik als Trägermaterial für den Siliziumchip ist dies sichergestellt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht entlang einer Längsrichtung eines

erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion von Teilchen, Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Chips,

Figur 3 eine Querschnittsansicht des Chips und

Figur 4 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensor zur Detektion von

Teilchen.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln in einem Gasstrom, wie beispielsweise einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, der zum Einbau in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs dient. Beispielsweise ist der Sensor 10 als Rußsensor ausgebildet und bevorzugt stromabwärts eines Rußfilters eines Kraftfahrzeugs mit einem Dieselverbrennungsmotor angeordnet.

Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 12. Das Substrat 12 ist aus einer Keramik hergestellt bzw. aufgebaut, wie beispielsweise aus Zirkoniumdioxid. Entsprechend ist das Substrat 12 ein keramisches Substrat. Der Sensor 10 umfasst ferner ein Heizelement 14 und zwei Messelektroden 16. Die Messelektroden 16 sind auf einem Chip 18 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet. Die Messelektroden 16 können auch auf einer isolierenden dünnen Zwischenschicht, die auf der Oberfläche des Chips 18 abgeschieden ist, angeordnet sein. Insbesondere ist der Chip 18 zumindest teilweise aus einem anorganischen Halbleitermaterial hergestellt. Beispielsweise ist der Chip 18 im

Wesentlichen aus Silizium hergestellt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Chip 18 beispielsweise vollständig aus Silizium hergestellt. Das keramische Substrat 12 umfasst insbesondere einen Schichtaufbau 20. Der

Schichtaufbau 20 wird von einer ersten Schicht 22, einer zweiten Schicht 24 und einer dritten Schicht 26 gebildet. Die erste Schicht 22 und die dritte Schicht 26 umgeben das Heizelement 14 in der Längsschnittdarstellung der Figur 1 sandwichartig. Es versteht sich jedoch, dass das Heizelement 14 tatsächlich so zwischen der ersten Schicht 22 und der dritten Schicht 26 integriert ist, dass das Heizelement 14 allseitig von der ersten Schicht 22 und der dritten Schicht 26 umgeben ist. An der dem Heizelement 14 abgewandten Seite der dritten Schicht 26 kann ein Temperatursensor 28 angeordnet sein. Die erste Schicht 22 weist ferner eine Aussparung 30 auf, in der der Chip 18 angeordnet ist. Das Heizelement 14 und der Chip 18 müssen nicht notwendig in derselben keramischen Schicht 22 des Schichtaufbaus 20 angeordnet sein. Wie den Darstellungen der Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, ist der Chip 18 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Beispielsweise weist der Chip 18 eine Dicke von 500 μηη bis 800 μηη, bevorzugt von 550 μηη bis 750 μηη und noch bevorzugter von 600 μηη bis 700 μηη auf, wie beispielsweise 675 μηη. Die Dicke des Chips 18 ist eine Abmessung parallel zu einer Richtung der Anordnungen der Schichten 22, 24, 26 und verläuft in der Darstellung der Figur 1 von oben nach unten bzw. umgekehrt. Der Chip 18 kann eine Breite von 2 mm bis 4 mm, bevorzugt von 2,5 mm bis 3,5 und noch bevorzugter von 2,75 mm bis 3,25 mm aufweisen, wie beispielsweise 3,0 mm. Die Breite des Chips 18 ist eine Abmessung parallel zu den Schichten 22, 24, 26 und senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung des Sensors 10. In der Darstellung der Figur 1 verläuft die Breite senkrecht zur

Zeichenebene und in der später beschriebenen Darstellung der Figur 4 verläuft die Breite von oben nach unten bzw. umgekehrt.

Auf einer Oberfläche 32 des Chips 18, auf der die Messelektroden 16 angeordnet sind, kann eine dünne Oxidschicht 33 mit einer Dicke von beispielsweise 2,5 μηη angeordnet sein. Die Oxidschicht 33 dient der zuverlässigen elektrischen Isolierung der

Messelektroden 16 und besteht im Fall von Silizium als Substratmaterial für den Chip 18 aus Siliziumdioxid, das als sogenanntes thermisches Oxid bei hoher Temperatur von ungefähr 1000 °C zeitgesteuert zu einer Dicke von bis zu 5 μηη aufwächst Die

Messelektroden 16 können beispielsweise kreisförmig und/oder sternförmig auf dem Chip 18 angeordnet sein. Die Messelektroden 16 können eine Dicke von beispielsweise 150 nm aufweisen. Beispielsweise sind die Messelektroden 16 mittels eines

Dünnschichtverfahrens aufgesputtert und fotolithografisch auf der Oberfläche 32 strukturiert. Beispielsweise liegen die Messelektroden 16 als Platindünnschicht vor. Gezeigt ist in Figur 2 beispielsweise ein sternförmiger Aufbau der Messelektroden 16. Alternativ ist ein stabförmiger Aufbau der Messelektroden 16 möglich, wobei der sternförmige Aufbau bevorzugt wird für Staupunktanströmungen der Oberfläche 32 und des Sensors 10, da sie ein Potenzial für schnellere Ansprechzeiten und höhere

Empfindlichkeit haben. Es versteht sich jedoch, dass eine lineare Anordnung bzw. ein kammförmiges Ineinandergreifen der Messelektroden 16 möglich ist. Eine derartige Struktur eignet sich beispielsweise für eine Längsanströmung des Sensors 10.

Unter Rückbezug auf Figur 1 ist gezeigt, dass die zweite Schicht 24 die Oberfläche 32 des Chips 18 teilweise bedeckt. Beispielsweise kann die zweite Schicht 24 die Oberfläche 32 teilweise so bedecken, dass ein kreisförmiger Bereich 34 der Oberfläche 32 freiliegt, wie beispielsweise in Figur 4 gezeigt ist. Der Bereich 34 kann alternativ oval, rechteckig oder polygonal ausgebildet sein. Innerhalb des freiliegenden Bereichs 34 sind die

Messelektroden 16 angeordnet. Ferner kann die zweite Schicht 24 zu der Oberfläche 32 hin abgerundet ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer abgerundeten Stufe 36. Ferner weist die zweite Schicht 24 an ihrer Unterseite 38, d. h. diejenige Seite, die der ersten Schicht 22 zugewandt ist, zwei Leiterbahnen 40 zur elektrischen Kontaktierung der Messelektroden 16 auf. Wie in Figuren 1 und 2 angedeutet ist, bedecken die Leiterbahnen 40 die Oberfläche 32 des Chips 18 so teilweise, dass sie mit den Messelektroden 16 elektrisch kontaktiert werden können.

Das keramische Substrat 12 und insbesondere die zweite Schicht 24 fixieren den Chip 18 in der Aussparung 30. Der Chip 18 berührt dabei mit einer den Messelektroden 16 bzw. der Oberfläche 32 gegenüberliegenden Oberfläche 42, die eine Unterseite des Chips 18 darstellt, das Heizelement 14, so dass eine von dem Heizelement 14 eingebrachte

Heizleistung unmittelbar in den Chip 18 und zu den Messelektroden 16 gelangen kann.

Der gesamte Sensor 10 ist beispielsweise 1 mm dick, 4 mm breit und 60 mm lang, wobei eine Länge oder Längserstreckungsrichtung des Sensors eine Abmessung von links nach rechts und umgekehrt in der Darstellung der Figur 1 ist. Die Messelektroden16, das

Heizelement 14 und der Temperatursensor 28 weisen zusammen eine Dicke von 10 μηη bis 20 μηη auf, wie beispielsweise 15 μηη. Der Chip 18 kann separat von den übrigen Bauteilen des Sensors 10, wie beispielsweise die Schichten 22, 24, 26, das Heizelement 14, der Temperatursensor 28 usw. hergestellt werden. Die Messelektroden 16 können beispielsweise auf dem Chip 18 separat gefertigt werden, d.h. bevor der Chip 18 in die Aussparung 30 eingesetzt wird. Es ist jedoch ebenso möglich, die Messelektroden 16 nach dem Einsetzen des Chips 18 herzustellen. Beispielsweise werden die Messelektroden 16 in Form der oben genannten Platindünnschicht mit einer Schichtdicke von 150 nm aufgebracht. Der so vorbereitete Chip 18 kann dann in die Aussparung 30 des Substrats 12 eingelegt werden. Die zweite Schicht 24 dient beispielsweise als Deckfolie, um den Chip 18 zu fixieren. Andererseits sind auf der Unterseite der zweiten Schicht 24 die Leiterbahnen 40 zur elektrischen Kontaktierung der Messelektroden 16 angebracht. Die Leiterbahnen 40 sowie die Kontaktflächen der Messelektroden 16 auf der Oberfläche 32 des Chips 18 werden so dimensioniert, dass unter Berücksichtigung aller Toleranzen, wie beispielsweise Spielpassung der Aussparung 30 für den Chip 18, eine gegenseitige Überdeckung unter allen Bedingungen garantiert ist.

Die erste Schicht 22 weist wiederum die Aussparung 30 auf, die vorteilhafterweise an die Kontur des Chips 18 angepasst ist und einen ausreichenden Überlappbereich mit dem Siliziumchip 18 sicherstellt. Dadurch kann dieser nach Montage und abschließender Sinterung zuverlässig fixiert werden. Insbesondere wird bei angepasster Dicke der ersten Schicht 22 erreicht, dass die Schrumpfung des Keramiksubstrats 12 beim Sintern dazu führt, dass eine gewollte Vorspannung und damit eine gute Kontaktierung des Chips 18 und der Messelektroden 16 erreicht wird. Der Chip 18 liegt, wie oben erwähnt, mit seiner Unterseite direkt auf dem Heizelement 14, so dass es zu keinen nennenswerten Verlusten beim Übergang der Heizleistung kommt. Die Ausbildung der abgerundeten Stufe 36 kann bevorzugt werden, da hier eine Strömung radial von innen nach außen ungestört entlang der Messelektroden 16 verläuft, während bei einer Längsanströmung die stromaufwärts gelegene Stufe eine Störung darstellt, die sich unter Umständen auf das Sensorsignal auswirkt.

Der Sensor 10 kann ferner ein nicht gezeigtes Gehäuse umfassen, das den in Figur 1 dargestellten Aufbau umgibt und aus Gründen der Vereinfachung der Erläuterung des Aufbaus des Sensors 10 in Figur 1 nicht gezeigt ist. Beispielsweise kann das Gehäuse als Fanghülse ausgebildet sein, die in einem oberhalb der Messelektroden 16 liegenden Bereich mit einer Öffnung versehen ist und zur Beruhigung eines in dem Abgasstrang strömenden Gasstroms dient, so dass sich Rußpartikel bzw. sonstige in dem Gasstrom enthaltene Teilchen bevorzugt im Bereich der Messelektroden 16 ablagern.

Der in Figur 1 dargestellte Sensor 10 kann wie folgt arbeiten: Wenn sich auf der

Oberfläche 32 des Chips 18 Rußpartikel bzw. sonstige elektrisch leitenden Teilchen ablagern, so reduziert sich ein elektrischer Widerstand zwischen den beiden Messelektroden 16. Die sich unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, schließen die kammartig ineinander greifenden Messelektroden kurz und zwischen den Messelektroden 16 wird ein

abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung messbar. Dies kann durch eine Strom-Spannungsmessung festgestellt werden. Beispielsweise ergibt sich durch Messung einer Impedanz zwischen den beiden

Messelektroden 16 ein für ein so genanntes RC-Glied typisches Verhalten. Dies bedeutet, dass die Ruß- bzw. Teilchenkonzentration in dem betreffenden Abgas anhand der zeitlichen Änderung des Widerstandsanteils des RC-Gliedes bestimmt werden kann.

Zur Regeneration des Sensors 10 können die angelagerten Teilchen nach gewisser Zeit mittels des in dem Keramiksubstrat 12 integrierten Heizelements 14 abgebrannt werden. Bei funktionstüchtigem Sensor 10 sollte nach diesem so genannten Ausheizen der Widerstand zwischen den Messelektroden 16 deutlich ansteigen und bevorzugt gegen Unendlich gehen.

Claims

Ansprüche 1 . Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, wobei der Sensor (10) mindestens zwei Messelektroden (16) und ein Heizelement (14) umfasst, wobei die Messelektroden (16) auf einem Chip (18) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, wobei der Sensor (10) ferner ein keramisches Substrat (12) umfasst, auf dem das Heizelement (14) angeordnet ist, wobei der Chip (18) mit dem keramischen Substrat (12) verbunden ist.

Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das keramische Substrat (12) eine Aussparung (30) aufweist, wobei der Chip (18) in der Aussparung (30) angeordnet ist.

Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das keramische Substrat (12) so ausgebildet ist, dass das keramische Substrat (12) den Chip (18) in der Aussparung (30) fixiert.

Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messelektroden (16) über das keramische Substrat (12) elektrisch kontaktierbar sind, insbesondere über mindestens zwei Leiterbahnen (40) auf dem keramischen Substrat (12).

Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messelektroden (16) ineinandergreifend ausgebildet sind.

Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messelektroden (16) kreisförmig und/oder sternförmig auf dem Chip (18) angeordnet sind.

Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Substrat (12) eine Oberfläche (32) des Chips (18), auf der die Messelektroden (16) angeordnet sind, teilweise bedeckt.

Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das keramische Substrat (12) den Chip (18) so bedeckt, dass ein kreisförmiger, ovaler, rechteckiger oder polygonaler Bereich (34) der Oberfläche (32) des Chips (18) freiliegt, wobei die Messelektroden (16) innerhalb des kreisförmigen Bereichs (34) angeordnet sind.

9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Substrat (12) einen Schichtaufbau (20) umfasst.

10. Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schichtaufbau

zumindest eine erste Schicht (22), auf der das Heizelement (14) angeordnet ist, und mindestens eine zweite Schicht (24) umfasst, wobei die zweite Schicht (24) so angeordnet ist, dass sie eine Oberfläche (32) des Chips (18), auf der die

Messelektroden (16) angeordnet sind, teilweise bedeckt.

1 1 . Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Schicht (24) Leiterbahnen (40) zum elektrischen Kontaktieren der Messelektroden (16) aufweist.

12. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Substrat (12) zu einer Oberfläche (32) des Chips (18), auf der die Messelektroden (16) angeordnet sind, hin abgerundet ausgebildet ist.

13. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Chip (18) das Heizelement (14) berührt.

14. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Chip (18)

zumindest teilweise aus einem anorganischen Halbleitermaterial hergestellt ist.