EP3631413A1 - Partikelsensor und herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Partikelsensor und herstellungsverfahren hierfür

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Publication number
EP3631413A1
EP3631413A1 EP18723511.4A EP18723511A EP3631413A1 EP 3631413 A1 EP3631413 A1 EP 3631413A1 EP 18723511 A EP18723511 A EP 18723511A EP 3631413 A1 EP3631413 A1 EP 3631413A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
particle
sensor
particle sensor
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18723511.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Radoslav Rusanov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3631413A1 publication Critical patent/EP3631413A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/68—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas
    • G01N27/70—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas and measuring current or voltage

Definitions

  • the invention relates to a particle sensor and a method for producing such a particle sensor.
  • WO 2013/125181 A1 discloses a particle sensor for use in
  • the known particle sensor has a complex layer structure with a multiplicity of individual layers of comparatively complex geometry.
  • the particle sensor according to the invention has a base body, a
  • a particle charging device for charging particles in a fluid stream flowing over a first surface of the body, and a trap electrode for deflecting charged particles of the fluid flow.
  • Particle charger and the trap electrode disposed on the first surface of the base body resulting in a particularly simple construction and cost-effective production results.
  • the fluid stream may be an exhaust gas stream of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • it may be in the particles to act as soot particles as they arise in the context of combustion of fuel by an internal combustion engine.
  • the base body is made of a substantially planar
  • the main body can, for example, a in
  • the Particle charger on a high voltage electrode for generating a corona discharge.
  • the corona discharge allows for charging of particles or generally particles, e.g. also of gases, from the fluid flow or exhaust gas flow in a space around the high-voltage electrode.
  • particles are charged directly as they flow through a space located in the region of the first surface, in which the corona discharge takes place.
  • particles on charged particles of Gasg. Charged exhaust gas stream the gas or exhaust gas stream was charged directly when flowing through the room in the region of the high voltage electrode. This overall improves the efficiency of charging.
  • the high voltage electrode has at least one needle-shaped electrode or tip.
  • the particle charging device has a counter electrode to the high voltage electrode.
  • the counterelectrode is understood to mean an electrode which is different from the high-voltage electrode and which has an orifice with respect to the
  • High voltage electrode to be placed on a reference potential such as a ground potential or be firmly connected to a reference potential having circuit node.
  • the high-voltage electrode may be subjected to a positive or negative electrical potential with respect to the counterelectrode.
  • the counterelectrode is also preferably arranged on the first surface, which results in a particularly simple construction and efficient production of the particle sensor.
  • the counterelectrode is completely on the first
  • the counter electrode to the high voltage electrode may simultaneously form a counter electrode to the trap electrode.
  • the trap electrode can be subjected to the same electrical potential that is applied to the high-voltage electrode. This can be done, for example, in that both the high-voltage electrode and the trap electrode are connected to a common high-voltage supply.
  • the counterelectrode is arranged on the first surface of the base body at least in a first region of the counterelectrode, which enables a simple electrical contacting of the counterelectrode by conductor tracks or conductor structures arranged on the first surface. Furthermore, it can be provided that a second region of the counterelectrode, which is different from the first region, protrudes from the first surface of the base body, that is to say protrudes from the first surface.
  • a particularly simple mechanical and / or electrical connection results
  • the counter-electrode has a substantially curved basic shape, for example corresponding to a sector of a lateral surface of a circular cylinder.
  • the counter electrode is associated with its concave outer side of the first surface of the base body.
  • Base body protruding portion of the counter electrode may be formed by a metal sheet.
  • At least one sensor electrode is provided for detecting information about an electric charge current caused by particles from the exhaust gas flow generated by means of the
  • Particle charger were charged, wherein the at least one sensor electrode is also disposed on the first surface.
  • the particle charging device for example by means of a corona discharge charge particles or particles of the exhaust gas stream, which are then transported by the prevailing gas flow in the region of the trap electrode.
  • comparatively light (low-mass) charged particles which do not adhere to the particles to be measured, such as ions of the exhaust gas flow are deflected relatively strong by means of the trap electrode, so that they not or only in greatly reduced numbers to the optional, further downstream sensor electrode reach.
  • soot particles further downstream beyond the trap electrode, for example to the sensor electrode, where, for example, by means of
  • Charge influence on the sensor electrode can be detected in a conventional manner.
  • an electrical potential to the trap electrode which is controllable or at least is different from the electrical potential of the high voltage electrode, whereby a degree of freedom for adjusting the trapping effect of the trap electrode is given with respect to the charged particles or particles flowing past it.
  • the so-called "escaping current” principle can be used to measure a charge current of the charged particles
  • Particle sensor containing, system are isolated to the outside (in particular, this is the counter electrode of the high voltage electrode and an optional counter electrode for the trap electrode "virtual", such as a virtual ground electrode), and it is an electric current is measured, which the charged particles in shape
  • the electric current under consideration flows from a needle electrode of the high voltage electrode through the corona discharge into the counterelectrode of the high voltage electrode, and the trap electrode traps the remaining ions.
  • the counter electrode must be added again so that its electrical potential remains constant, it is called “escaping current” and is a measure of the concentration of charged particles.
  • a sensor device comprising a protective tube arrangement of two concentrically arranged tubes and at least one particle sensor according to the invention, wherein the at least one particle sensor is arranged in the inner tube of the two tubes, that its first surface in the
  • the particle sensor is advantageously protected against external influences (for example, also from direct flow through exhaust gas), and at the same time it is ensured that a uniform flow of the exhaust gas flow is applied to the particle sensor, whereby the sensor accuracy is increased.
  • an operation of the particle sensor without the supply of fresh gas or fresh air can be done thereby, whereby a corresponding pump, as required in conventional systems, can be omitted.
  • a method for producing a particle sensor according to claim 10 comprises providing the main body, for example in the form of an im
  • substantially planar (ie having a planar first outer surface) ceramic substrate and disposing the particle charging means and the trap electrode on the first surface of the base body.
  • screen printing methods in particular platinum screen printing, can be used with particular preference in order to achieve the
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of the particle sensor according to the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 3 schematically shows the arrangement of the particle sensor according to FIG. 1 in a target system
  • FIG. 4A schematically shows a plan view of a particle sensor according to a second embodiment
  • FIG. 4B schematically shows a cross section with a view in the longitudinal direction of the
  • FIG. 4C schematically shows a side view of the particle sensor according to FIG.
  • FIG. 5 schematically shows a plan view of a particle sensor according to a third embodiment
  • FIG. 6A schematically shows a plan view of a particle sensor according to a fourth embodiment
  • FIG. 6B schematically shows a cross section with a view in the longitudinal direction of the
  • FIG. 7 schematically shows a plan view of a particle sensor according to FIG.
  • FIG. 8 schematically shows a simplified flowchart of a
  • FIG. 1 schematically shows a side view of a first embodiment of the particle sensor 100 according to the invention.
  • the particle sensor 100 has a preferably planar base body 110, which is provided, for example, by a substrate made of an electrically non-conductive material, such as a
  • the base body 110 has a thickness d1 which is preferably smaller, in particular substantially smaller (eg smaller by at least about 80% than a length L extending along the x-axis and smaller than a perpendicular to the plane of the drawing in FIG ready.
  • a particle charging device 120 and a trap electrode 130 are arranged on a first surface 110a of the base body 110, which is an outer surface of the base body 110 in FIG. 1.
  • the particle charging device 120 is provided for charging particles (not shown) which may be located in a fluid flow A1 flowing over the first surface 110a of the base body 110.
  • the particle charging device 120 is provided for charging particles (not shown) which may be located in a fluid flow A1 flowing over the first surface 110a of the base body 110.
  • Particle charger 120 for example, a high voltage electrode 122, which is provided to generate a corona discharge 123.
  • the high-voltage electrode 122 for example, to a not shown
  • Particle charging device 120 also have a counter electrode of or for the high-voltage electrode 122, which in the present case is denoted by the reference numeral 124 and advantageously also, in particular completely or
  • the trap electrode 130 is provided for deflecting charged particles of the fluid flow A1, which have been generated, for example, by means of the particle charging device 120 farther upstream with respect to the fluid flow A1.
  • the trap electrode 130 may be electrically powered with the same
  • the trap electrode may also be applied to a different electrical potential than that of the high voltage electrode 122.
  • particles charged by the trap electrode 130, in particular ions can be deflected or "trapped" out of the fluid flow A1 so that they do not reach the downstream sensor electrode 140.
  • the sensor electrode 140 is provided for detecting information about an electric charge current caused by charged particles from the fluid flow A1.
  • these may be particles which, by means of the particle charging device 120 or by means of the corona discharge 123 generated by them, continue further upstream relative to the corona discharge 123
  • Fluid flow A1 have been electrically charged.
  • only comparatively heavy charged particles pass downstream to the sensor electrode 140 because, as described above, relatively light charged particles such as ions are deflected by the trap electrode 130.
  • the sensor electrode 140 allows by means of a measurement of the charge influence, which at through the Sensor electrode 140 is caused by passing charged particles, the determination of a concentration of the charged particles in the fluid flow A1.
  • the fluid flow A1 may be an exhaust gas flow of an internal combustion engine (not shown).
  • the particles may be soot particles, such as those produced as part of combustion of fuel by an internal combustion engine.
  • the so-called "escaping current" principle can be used to measure a charge current of the charged particles
  • the complete system containing the particle sensor 100 can be isolated to the outside (in particular, the
  • Counter electrode of the high voltage electrode and an optional counter electrode for the trap electrode "virtual”) is an electrical current measured which carried out the charged particles in the form of their electrical charge from the otherwise electrically isolated and therefore closed system 100.
  • the current generated by the charged particles must can be added back to the counterelectrode 124 so that its electrical potential remains constant, it is called "escaping current” and is a measure of the concentration of charged particles.
  • the counter-electrode for the trap electrode 130 may be an electrically conductive element (not shown),
  • a metal sheet may be provided, which is arranged above the first surface 110a of the main body 100.
  • a protective tube surrounding the particle sensor 100 (not shown in FIG. 1) made of an electrically conductive material or with an electrically conductive surface present at least in sections
  • FIG. 2 schematically shows the arrangement of the particle sensor 100 according to FIG. 1 in a target system Z, which in the present case is an exhaust gas tract of a Internal combustion engine, for example, a motor vehicle is.
  • a target system Z which in the present case is an exhaust gas tract of a Internal combustion engine, for example, a motor vehicle is.
  • Exhaust gas flow is referred to herein by the reference numeral A2. Also shown is a protective tube arrangement of two mutually concentrically arranged tubes R1, R2, wherein the particle sensor 100 is arranged in the inner tube R1, that its first surface 1 10a is substantially parallel to a longitudinal axis LA of the inner tube R1. Due to the different lengths and the arrangement of the tubes R1, R2 relative to each other is due to the Venturi effect a suction in which the
  • Exhaust gas flow A2 causes a fluid flow P1 or A1 out of the inner tube R1 out in Figure 2 in a vertical upward direction.
  • the further arrows P2, P3, P4 indicate the continuation of this caused by the Venturi effect fluid flow through a gap between the two tubes R1, R2 through to the environment of the protective tube assembly towards.
  • a sensor device 1000 for determining a particle concentration in the exhaust gas A2 is advantageously indicated by the elements 100, R1, R2.
  • the reference symbol R2 indicates an optional electrical connection of the outer tube R2 and / or the inner tube R1 to a reference potential, such as the ground potential, so that the respective tube or both tubes advantageously at the same time as their fluidic conductive function as electrical counter electrode, for example for the trap -Electrode 130 (and / or for the high voltage electrode 122), see Figure 1, are usable.
  • the block arrow P5 symbolizes in FIG. 2 an optional supply of fresh gas, in particular fresh air supply, which may be desirable in some embodiments but is not provided in particularly preferred embodiments.
  • FIG. 3 schematically shows an exhaust pipe R and parts of the sensor device 1000 according to FIG. 2 in the exhaust pipe R.
  • the particle sensor 100 is aligned in the protective tube assembly so that its first surface extends along the x-axis, whereas the flow direction of the exhaust gas A2 in the exhaust tube R is aligned parallel to the y-axis.
  • FIGS. 4A, 4B, 4C A further embodiment 100a of the particle sensor according to the invention is described below with reference to FIGS. 4A, 4B, 4C, wherein FIG. 4A schematically shows a plan view, FIG. 4B schematically shows a
  • the particle sensor 100a again has a main body 11, for example comprising a ceramic substrate, and a high-voltage electrode 122 which is connected via a
  • High voltage supply line 121 is supplied with a corresponding electrical potential.
  • the high-voltage electrode 122 has a needle electrode which is not separately designated, in order to ignite a corona discharge in cooperation with the counter-electrode 124a (cf. reference symbol 123 from FIG. 1).
  • the counterelectrode 124a is not arranged on the entire surface of the surface 11a of the base body 110. Rather, in the present case, the counterelectrode 124a in a first region 1241, compare FIG. 4B, is mechanically and electrically conductively connected to a supply line 1241 ', which connects the counterelectrode 124a to an electric field
  • Reference potential in this case, for example, the ground potential, connects.
  • Counter electrode 124a from the first surface 1 10a from, for example, such that it is arranged vertically above the needle electrode 122 in Figure 4B.
  • a corona discharge (not shown in FIG. 4B) can form between the elements 122, 124a, in particular in the second region 1242, which serves to charge particles or particles of a fluid stream.
  • the particle sensor 100a has a trap electrode 130 which, as shown in FIG. 4A, is arranged along the longitudinal direction x further downstream with respect to the high-voltage electrode 122.
  • the trap electrode 130 is electrically conductively connected by means of the connecting line 131 to the high-voltage electrode 122, thus to the common
  • High voltage supply line 121 is connected.
  • the counterelectrode 124a is in the present case designed so that it does not only extend over the high-voltage electrode 122 along the longitudinal direction x, compare region 124 'from FIG. 4A, but via its tongue-like form
  • compare area 124 " also extends beyond the trap electrode 130.
  • the counterelectrode 124a also acts as a counterelectrode for the trap electrode 130, whereby charged particles, which are Moving past the particle sensor 100a along the flow or longitudinal direction x on the first surface 110a, deflecting in the vertical direction, for example towards the trap electrode 130, in FIG. 4B and 4C, in the case of comparatively low mass Particles such as charged gas particles or ions are, they are usually deflected down to the trap electrode 130 back and thus not further downstream to the presently provided also sensor electrode 140. In this way, therefore, only relatively high-mass charged particles such as
  • the particle charging device 120 charged particles, such as soot particles of an exhaust stream, in the field of
  • Sensor electrode 140 are detected in a conventional manner.
  • An electrical supply line for the sensor electrode 140 is present with the
  • Reference numeral 141 designates and leads, as well as the other leads 121, 1241 'in a left in Figure 4A arranged first axial end portion 1 10' of the particle sensor 100a.
  • the components 122, 130, 140 are arranged along the longitudinal direction x, which corresponds to a flow direction of the fluid flow A1 (FIG. 1) flowing over the first surface 110a.
  • the sensor electrode 140 is located, for example, in the region of the first axial end portion 1 10 'opposite the second axial end portion 1 10 "of the particle sensor 100a.
  • a space b2 of the sensor electrode 140 measured vertically in FIG. 4A is not substantially smaller than the overall width b1 of the base body 110, as a result of which a particularly high sensitivity and thus also measurement accuracy of the particle sensor 100A are achieved.
  • the configuration 100a according to FIGS. 4A, 4B, 4C can be used to provide a planar, ceramic-based particle sensor, in particular for soot particles.
  • the particle sensor 100a includes a high voltage needle electrode 122 and a ground electrode 124a as
  • Counterelectrode between which by means of a high voltage, a corona discharge is ignited, whereby a on the first surface 1 10a and in particular between the electrodes 122 and 124a into flowing fluid flow or air / particle flow is charged or ionized.
  • Trap electrode 130 then traps ions and other lighter charged particles from the fluid stream, particularly those charged particles that do not adhere to particles such as soot particles contained in the fluid stream.
  • a charge measurement for the soot particles takes place in this embodiment by means of charge influence on the sensor electrode 140.
  • Particle sensors 100a advantageously consist of a ceramic carrier substrate.
  • the carrier substrate may comprise, for example, zirconium or aluminum oxide and serves as a carrier for the various components of the
  • Particle sensors 100a which are advantageously all arranged together on the first surface 1 10a, resulting in a particularly efficient and
  • the conductor tracks or conductor structures 121, 131, 141, 1241 'on the first surface 110a can be applied efficiently by means of known production technologies, for example using screen printing methods, in particular platinum screen printing methods. This can be particularly temperature-stable and Reliable structures are generated.
  • the electrodes 122, 130, 140 as well as a counterelectrode 124 (see FIG. 1) arranged on the first surface 110a can likewise be advantageously produced by using the abovementioned screen printing methods, in particular platinum screen printing methods.
  • the needle electrode of the high voltage electrode 122 which itself is formed, for example, of platinum or tungsten or a material containing at least one of these metals, for example by means of a screen-printed platinum paste by sintering on the substrate or the base body 1 10a mechanically attached and simultaneously electrically conductively connected to this.
  • connection methods for the components 122 and their needle electrode are conceivable. The same applies to the other electrodes or conductor tracks.
  • Manufacturing process is provided in a first step 200, compare Figure 8, the main body 1 10 (Fig. 1), for example in the form of a
  • the particle charging device 120 and the trap electrode 130 are arranged on the first surface 110a of the base body 110. This can be done, for example, by means of one of the screen printing methods mentioned above, in particular by means of platinum screen printing.
  • the plurality of components 120, 130 or their electrodes 122, 130 arranged on the first surface 110a may be particularly preferably
  • corresponding supply lines 121, 131, 1241 ' are applied to the first surface 110a in the same working step, which enables a particularly efficient and cost-effective production of the particle sensor.
  • the sensor electrode 140 and its supply line 141 can also be applied to the first surface 110a in the aforementioned operation 210.
  • a counterelectrode 124 (FIG. 1) is also to be applied to the first surface 110a, in particular over the entire surface, this can also be done in step 210 according to FIG.
  • a counter-electrode 124a projecting at least partially from the first surface 110a, cf. FIG. 4B, can also be applied to the first surface 110a in step 210 or attached to the first surface 110a.
  • the counterelectrode 124a may, for example, be made of a metal sheet or another material having a planar design, an electrically conductive surface or an electrically conductive surface.
  • the counterelectrode 124a can be mechanically fastened to and electrically conductively connected to a predefinable length region of the ground supply line 1141 ', for example by means of a platinum paste and a
  • High voltage electrode 122 is opposite.
  • the optional tongue-like extension of the counter electrode 124a in the region 124 ", compare Figure 4A, can be used to advantage for forming a counter electrode for the trap electrode 130.
  • an electric field can be provided between the electrodes 124, 130, the ions from
  • heavier charged particles such as soot particles, are too sluggish due to their mass and fly further in the fluid flow towards the fluid flow above the surface 110a of the particle sensor 100
  • Sensor electrode 140 where its charge can be measured by charge influence and used as a measure of the particle concentration, in particular soot particle concentration.
  • Counter electrode 124 may also be a protective tube surrounding the particle sensor 100a, for example, the inner tube R1 of Figure 2, electrically conductive and be applied with a reference potential, so that this tube R1 forms a counter electrode for the trap electrode 130 and / or the high voltage electrode 122 ,
  • the configuration of the particle sensor 100a depicted in FIGS. 4A, B, C can be modified such that the sensor electrode 140 and its feed line 141 are omitted. In this variant, a measurement of a particle concentration or
  • the entire arrangement 100a must be electrically insulated in order to be able to measure the "escaping current" which as it were represents a fault current.
  • FIG. 5 schematically shows a top view of a particle sensor 100b according to a further embodiment, in particular on a second surface 110b, which is opposite to its first surface 110a (FIG. 1) and is, for example, an "underside" of the particle sensor 100b second surface 1 10 b is an electric heater 160 is provided, which preferably meander-shaped Bankleiterbahnen 162 and
  • the production of the structures 162, 164 can, in turn, advantageously be effected by means of screen printing, in particular by means of platinum screen printing.
  • the electric heater 160 may be used, for example, to increase the temperature of the particulate sensor 100b, particularly to reduce or eliminate particulate deposits, particularly soot deposits. Otherwise, such deposits could lead to a reduction in the creepage distances or the
  • the heater may also be configured to increase a temperature of the particle sensor 100, 100a, 100b at least temporarily over a predefinable setpoint temperature, in particular in a range between about 650 ° C to about 700 ° C, to deposits, in particular
  • Embodiment 100c of the particle sensor according to the invention described wherein Figure 6A schematically shows a plan view and Figure 6B schematically shows a cross section with a view in the longitudinal direction (along the axis x, see Figure 6A).
  • the particle sensor 100c has no sensor electrode (reference numeral 140, see Figure 4A), and a measurement of a concentration of charged particles such as soot particles is carried out here using the escaping currenf principle already described above.
  • the complete system 100c is isolated to the outside, whereby the counter electrode or ground electrode 124b becomes a virtual ground electrode, and the current which the soot particles in the form of their electric current is measured is measured is measured
  • the current flows from the needle of the high voltage electrode 122 through the area of the corona discharge into the ground electrode 124b, and the trap electrode 130 traps the remaining ions.
  • the current generated by the charged particles, especially charged soot particles, must be added back to the ground electrode 124b in order to maintain their electrical potential constant. This current is also called “escaping current” and is a measure of the concentration of charged particles.
  • the particle sensor 100c has a counter-electrode or
  • Ground electrode 124b which is mechanically connected in both edge regions 1241 a, 1241 b with the surface 1 10a of the base body 1 10. An electrically conductive connection is provided at least between the region 1241 b and the ground line 1241. A central region 1242 of the ground electrode 124b protrudes from the surface 110a of FIG.
  • Body 1 10 thereby defining a space between the inside of the area 1242 and the high voltage electrode 122, which may comprise the corona discharge, and in which the above-mentioned
  • Charging of particles or particles, in particular soot particles, can take place.
  • FIG. 7 shows a plan view of a further embodiment 100d of a particle sensor according to the invention.
  • the ground electrode 124c is present on both sides (with reference to FIGS.
  • High voltage electrode 122) on the first surface 1 10a of the base body 1 10 and connected thereto.
  • the mechanical and electrically conductive connection is made with the earth lead 1241, and on a second side, in FIG. 7 above the high-voltage electrode 122, at least one mechanical and possibly also electrically conductive connection of the relevant region of the ground electrode 124c to a conductor section arranged on the surface 110a takes place.
  • the leads or printed conductors and electrodes can preferably be produced by screen printing, in particular by means of platinum screen printing, on the base body 110 or its first surface 110a.
  • Mounting regions of the ground electrode 124b do not extend in the axial direction x as far as or along the trap electrode 130.
  • End region 124 projects freely beyond the trap electrode 130. This provides improved electrical insulation between the electrodes 124c, 130.
  • the particle sensor 100, 100a, 100b, 100c, 100d according to the invention preferably has a planar ceramic substrate which supports the
  • Base body 1 10 forms, and on the surface 1 10a are various components of the particle sensor such as electrodes and
  • the particle sensor according to the invention can be arranged particularly easily in a protective tube or protective tube arrangement R1, R2, cf. FIG. 2, and thus exposed to a uniform fluid flow A1, P1, which enables a precise measurement of the concentration of particles, in particular of soot particles.
  • a protective tube or protective tube arrangement R1, R2, cf. FIG. 2 and thus exposed to a uniform fluid flow A1, P1, which enables a precise measurement of the concentration of particles, in particular of soot particles.
  • Sensor electrode 140 (FIG. 4A) or even a plurality of sensor electrodes (not shown) are possible, and variants without a sensor electrode (FIGS. 6A, 7) are also possible, in which the "escaping currenf measuring principle" is preferred Determining a concentration of charged particles is used.
  • the planar structure of the particle sensor further allows cost-effective production and storage and a small-sized configuration for a corresponding target system Z (FIG. 2).
  • Particularly advantageous in some embodiments is the use of screen-printed electrodes, in particular platinum screen-printed electrodes, in combination with planar and / or protruding from the first surface 1 10a elements such as the ground electrodes 124, 124a, 124b, 124c.
  • the particle sensor according to the invention can be particularly preferred as
  • Soot particle sensor are used in the automotive field, in particular as OBD (on board diagnosis) - sensor for monitoring a particulate filter in motor vehicles such as passenger cars (cars), commercial vehicles (commercial vehicles).
  • OBD on board diagnosis
  • the particle sensor according to the invention can also be used in general for measuring the concentration of particles in a fluid flow, in particular for measuring a concentration of dust particles or
  • Particulate matter and can therefore be used advantageously especially in environmental metrology.
  • the particle sensor can be used for monitoring particle filters in internal combustion engines, both in self-igniting internal combustion engines as well as in spark-ignition internal combustion engines. Furthermore, the
  • Particle sensor according to the invention, the determination of particle concentrations in environmental metrology and other areas, in particular for the determination of indoor air quality, emissions from incinerators (private, industrial), etc ..
  • the measuring principle used according to the invention is based on a charging of particles, in particular soot particles, by means of a corona discharge in the fluid flow A1 (FIG. 1) and a subsequent measurement of the charge of the particles or of the soot particles or the measurement of a corresponding current resulting therefrom ,
  • the measurement can, for example, by means of Charge influence on a sensor electrode 140 (FIG. 1) or according to the escaping currenf principle.
  • the measuring principle used according to the invention has a very high sensitivity, as a result of which even the smallest concentrations of particles can be measured.
  • the measuring principle used according to the invention advantageously allows comparatively high update rates ("update rates"), ie comparatively many measurements per second, which advantageously permits correlation of the measurement signal obtained here with other operating variables, such as operating variables of one
  • Internal combustion engine in the exhaust stream of the particle sensor is arranged, which advantageously has an improvement of the data evaluation and thus a further increase in the sensor accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) mit einem Grundkörper (110), einer Partikelaufladeeinrichtung (120) zum Aufladen von Partikelnin einem über eine erste Oberfläche (110a) des Grundkörpers (110) strömenden Fluidstrom (A1), und einer Trap-Elektrode (130) zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms (A1), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) und die Trap-Elektrode (130) auf der ersten Oberfläche (110a) des Grundkörpers (110) angeordnet sind.

Description

Beschreibung Titel
Partikelsensor und Herstellungsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Partikelsensors.
Aus der WO 2013/125181 A1 ist ein Partikelsensor für den Einsatz in
Kraftfahrzeugen bekannt. Der bekannte Partikelsensor weist einen komplexen Schichtaufbau mit einer Vielzahl von einzelnen Schichten vergleichsweise komplexer Geometrie auf.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelsensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass er einen einfacheren Aufbau aufweist und kostengünstig zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird durch den Partikelsensor nach Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Partikelsensor weist einen Grundkörper auf, eine
Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche des Grundkörpers strömenden Fluidstrom, und eine Trap-Elektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms. Vorteilhaft sind die
Partikelaufladeeinrichtung und die Trap-Elektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau und eine kostengünstige Fertigung ergibt.
Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper ein
Substratelement auf bzw. ist aus einem Substratelement gebildet. Besonders bevorzugt ist der Grundkörper aus einem im wesentlichen planaren
Keramiksubstrat gebildet. Der Grundkörper kann beispielsweise eine im
Wesentlichen quaderförmige Grundform mit einer Breite und einer Länge aufweisen, wobei eine Höhenabmessung bezüglich der Breite und der Länge vergleichsweise klein ist. Weiter bevorzugt ist die erste Oberfläche, auf der erfindungsgemäß die Partikelaufladeeinrichtung und die Trap-Elektrode angeordnet sind, eine Außenoberfläche des Grundkörpers.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Partikelaufladeeinrichtung eine Hochspannungselektrode zur Erzeugung einer Korona-Entladung auf. Die Korona-Entladung ermöglicht eine Aufladung von Partikeln oder allgemein Teilchen, z.B. auch von Gasen, aus dem Fluidstrom bzw. Abgasstrom in einem Raum um die Hochspannungselektrode. Damit werden zum einen Partikel direkt beim Durchströmen eines im Bereich der ersten Oberfläche befindlichen Raumes geladen, in dem die Korona-Entladung stattfindet. Zum anderen werden Partikel über aufgeladene Teilchen des Gasbzw. Abgasstroms geladen, wobei der Gas- bzw. Abgasstrom direkt beim Durchströmen des Raumes im Bereich der Hochspannungselektrode geladen wurde. Dies verbessert insgesamt die Wirksamkeit der Aufladung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hochspannungselektrode wenigstens eine nadeiförmige Elektrode bzw. Spitze auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Partikelaufladeeinrichtung eine Gegenelektrode zu der Hochspannungselektrode auf. Unter einer
Gegenelektrode wird vorliegend eine von der Hochspannungselektrode verschiedene Elektrode verstanden, welche mit einem bezüglich der
Hochspannungselektrode unterschiedlichen elektrischen Potenzial
beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann die Gegenelektrode zu der
Hochspannungselektrode auf ein Bezugspotenzial wie beispielsweise ein Massepotenzial gelegt werden bzw. fest mit einem das Bezugspotenzial aufweisenden Schaltungsknotenpunkt verbunden sein. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Hochspannungselektrode mit einem positiven oder negativen elektrischen Potenzial gegenüber der Gegenelektrode beaufschlagt sein.
Besonders bevorzugt ist bei einer weiteren Ausführungsform die Gegenelektrode ebenfalls auf der ersten Oberfläche angeordnet, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau und eine effiziente Fertigung des Partikelsensors ergibt.
Besonders bevorzugt ist die Gegenelektrode vollständig auf der ersten
Oberfläche angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Gegenelektrode zu der Hochspannungselektrode gleichzeitig eine Gegenelektrode zu der Trap- Elektrode bilden.
Bei einer Ausführungsform kann die Trap-Elektrode mit demselben elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, mit dem auch die Hochspannungselektrode beaufschlagt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass sowohl die Hochspannungselektrode als auch die Trap-Elektrode mit einer gemeinsamen Hochspannungsversorgung verbunden sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Gegenelektrode zumindest in einem ersten Bereich der Gegenelektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, was eine einfache elektrische Kontaktierung der Gegenelektrode durch auf der ersten Oberfläche angeordnete Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen ermöglicht. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein von dem ersten Bereich verschiedener zweiter Bereich der Gegenelektrode von der ersten Oberfläche des Grundkörpers abragt, also von der ersten Oberfläche hervorsteht. Hierdurch sind weitere Freiheitsgrade für die Erzeugung geladener Teilchen bzw. geladener Partikel gegeben, indem ein mit einer Korona-Entladung beaufschlagbarer Raumbereich über der ersten Oberfläche durch die Gestaltung der Form der abragenden Gegenelektrode definiert wird. Gleichzeitig ergibt sich eine besonders einfache mechanische und/oder elektrische Verbindung der
Gegenelektrode mit auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordneten Komponenten (zum Beispiel Leiterbahnen). Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gegenelektrode eine im wesentlichen gekrümmte Grundform auf, beispielsweise entsprechend eines Sektors einer Mantelfläche eines Kreiszylinders. Besonders bevorzugt ist die Gegenelektrode mit ihrer konkaven Außenseite der ersten Oberfläche des Grundkörpers zugeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Gegenelektrode bzw. wenigstens ein von der ersten Oberfläche des
Grundkörpers abragender Bereich der Gegenelektrode durch ein Blech gebildet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Sensorelektrode zur Erfassung von Informationen über einen elektrischen Ladungsstrom vorgesehen, der durch Partikel aus dem Abgasstrom verursacht wird, die mittels der
Partikelaufladeeinrichtung aufgeladen wurden, wobei die mindestens eine Sensorelektrode ebenfalls auf der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die
Partikelaufladeeinrichtung, die Trap-Elektrode, und die optionale Sensorelektrode entlang einer Längsachse des Grundkörpers auf der ersten Oberfläche desselben angeordnet, insbesondere entlang einer Strömungsrichtung des Fluidstroms bzw. Abgasstroms. Dadurch kann die Partikelaufladeeinrichtung, beispielsweise mittels einer Korona-Entladung, Partikel bzw. Teilchen des Abgasstroms aufladen, die sodann durch die vorherrschende Gasströmung in dem Bereich der Trap-Elektrode transportiert werden. Dort können
vergleichsweise leichte (massearme) geladene Teilchen, welche nicht an den zu messenden Partikeln haften, wie beispielsweise Ionen des Abgasstroms, mittels der Trap-Elektrode vergleichsweise stark abgelenkt werden, sodass diese nicht oder nur in stark verminderter Zahl zu der optionalen, weiter stromabwärts gelegenen Sensorelektrode gelangen. Dadurch gelangen im Wesentlichen nur die interessierenden, vergleichsweise schweren geladenen Partikel,
insbesondere Rußpartikel, weiter stromabwärts über die Trap-Elektrode hinaus, beispielsweise zu der Sensorelektrode, wo sie beispielsweise mittels
Ladungsinfluenz an der Sensorelektrode in an sich bekannter Weise detektiert werden können.
Bei einer Ausführungsform ist es auch denkbar, die Trap-Elektrode mit einem elektrischen Potenzial zu beaufschlagen, das steuerbar ist oder das zumindest von dem elektrischen Potenzial der Hochspannungselektrode verschieden ist, wodurch ein Freiheitsgrad zur Einstellung der Abfangwirkung der Trap-Elektrode bezüglich der an ihr vorbeiströmenden geladenen Teilchen bzw. Partikel gegeben ist.
Bei Ausführungsformen, welche keine Sensorelektrode aufweisen, kann das sogenannte„escaping current" - Prinzip zur Messung eines Ladungsstroms der geladenen Partikel genutzt werden. Hierzu kann das komplette, den
Partikelsensor enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch die Gegenelektrode der Hochspannungselektrode und eine gegebenenfalls vorhandene Gegenelektrode für die Trap-Elektrode„virtuell", beispielsweise eine virtuelle Masseelektrode), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von einer Nadelelektrode der Hochspannungselektrode durch die Korona-Entladung in die Gegenelektrode der Hochspannungselektrode, und die Trap-Elektrode fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln erzeugt wird, muss der Gegenelektrode wieder hinzugefügt werde, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als„escaping current" bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration von aufgeladenen Partikeln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Sensoreinrichtung aufweisend eine Schutzrohranordnung aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren und wenigstens einem erfindungsgemäßen Partikelsensor vorgeschlagen, wobei der wenigstens eine Partikelsensor so in dem inneren Rohr der beiden Rohre angeordnet ist, dass seine erste Oberfläche im
Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des inneren Rohres ausgerichtet ist. Dadurch ist der Partikelsensor vorteilhaft vor äußeren Einflüssen (beispielsweise auch vor direkter Anströmung durch Abgas) geschützt, und gleichzeitig ist sichergestellt, dass eine gleichmäßige Strömung des Abgasstroms an dem Partikelsensor anliegt, wodurch die Sensorgenauigkeit gesteigert wird.
Insbesondere kann bei den Ausführungsformen dadurch auch ein Betrieb des Partikelsensors ohne die Zufuhr von Frischgas bzw. von Frischluft erfolgen, wodurch eine entsprechende Pumpe, wie sie bei konventionellen Systemen erforderlich ist, entfallen kann. Weitere Ausführungsformen sind durch ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors gemäß Patentanspruch 10 angegeben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen des Grundkörpers, beispielsweise in Form eines im
wesentlichen planaren (also eine ebene erste Außenoberfläche aufweisenden) Keramiksubstrats, und das Anordnen der Partikelaufladeeinrichtung und der Trap-Elektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers. Besonders bevorzugt können bei manchen Ausführungsformen Siebdruckverfahren, insbesondere Platin-Siebdruck, verwendet werden, um die
Partikelaufladeeinrichtung bzw. Komponenten hiervon und die Trap-Elektrode und gegebenenfalls eine optionale Sensorelektrode bzw. entsprechende Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers aufzubringen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
Figur 2,
3 schematisch jeweils die Anordnung des Partikelsensors gemäß Figur 1 in einem Zielsystem,
Figur 4A schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform, Figur 4B schematisch einen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung des
Partikelsensors gemäß Fig. 4A,
Figur 4C schematisch eine Seitenansicht des Partikelsensors gemäß Fig.
4A,
Figur 5 schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer dritten Ausführungsform,
Figur 6A schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer vierten Ausführungsform,
Figur 6B schematisch einen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung des
Partikelsensors gemäß Fig. 6A,
Figur 7 schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß
einer weiteren Ausführungsform, und
Figur 8 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors 100. Der Partikelsensor 100 weist einen bevorzugt planaren Grundkörper 1 10 auf, der beispielsweise durch ein Substrat aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, wie beispielsweise einem
Keramikwerkstoff, gebildet sein kann. Vorliegend weist der Grundkörper 1 10 eine Dicke d1 auf, welche bevorzugt kleiner, insbesondere wesentlich kleiner (z.B. um wenigstens etwa 80% kleiner ist als eine sich entlang der x-Achse erstreckende Länge L und kleiner als eine sich in Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Bereite.
Erfindungsgemäß sind auf einer ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10, bei der es sich um eine in Fig. 1 obere Außenoberfläche des Grundkörpers 1 10 handelt, eine Partikelaufladeeinrichtung 120 und eine Trap-Elektrode 130 angeordnet. Die Partikelaufladeeinrichtung 120 ist zum Aufladen von Partikeln (nicht gezeigt) vorgesehen, die sich in einem über die erste Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 strömenden Fluidstrom A1 befinden können. Hierzu weist die
Partikelaufladeeinrichtung 120 beispielsweise eine Hochspannungselektrode 122 auf, die zur Erzeugung einer Korona-Entladung 123 vorgesehen ist. Hierzu kann die Hochspannungselektrode 122 beispielsweise an eine nicht gezeigte
Hochspannungsquelle angeschlossen sein. Optional kann die
Partikelaufladeeinrichtung 120 auch eine Gegenelektrode der bzw. für die Hochspannungselektrode 122 aufweisen, die vorliegend mit dem Bezugszeichen 124 bezeichnet und vorteilhaft ebenfalls, insbesondere vollständig bzw.
vollflächig, auf der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 angeordnet ist.
Die Trap-Elektrode 130 ist zum Ablenken geladener Teilchen der Fluidströmung A1 vorgesehen, die beispielsweise mittels der Partikelaufladeeinrichtung 120 weiter stromaufwärts bezüglich der Fluidströmung A1 erzeugt worden sind.
Beispielsweise kann die Trap-Elektrode 130 mit demselben elektrischen
Potenzial beaufschlagt werden, wie die Hochspannungselektrode 122. Bei anderen Ausführungsformen kann die Trap-Elektrode auch mit einem anderen elektrischen Potenzial als mit demjenigen der Hochspannungselektrode 122 beaufschlagt werden. Besonders vorteilhaft können durch die Trap-Elektrode 130 geladene Teilchen, insbesondere Ionen, aus der Fluidströmung A1 abgelenkt bzw.„eingefangen" werden, sodass diese nicht zu der weiter stromabwärts angeordneten, optionalen Sensorelektrode 140 gelangen.
Die Sensorelektrode 140 ist zur Erfassung von Informationen über einen elektrischen Ladungsstrom vorgesehen, der durch aufgeladene Partikel aus dem Fluidstrom A1 verursacht wird. Beispielsweise kann es sich dabei um Partikel handeln, die mittels der Partikelaufladeeinrichtung 120 bzw. mittels der durch sie erzeugten Koronaentladung 123 weiter stromaufwärts bezüglich der
Fluidströmung A1 elektrisch aufgeladen worden sind. Bevorzugt gelangen nur vergleichsweise schwere geladene Partikel in Richtung stromabwärts zu der Sensorelektrode 140, weil wie vorstehend bereits beschrieben vergleichsweise leichte geladene Teilchen wie beispielsweise Ionen durch die Trap-Elektrode 130 abgelenkt bzw. eingefangen werden. Dadurch ermöglicht die Sensorelektrode 140 im Wege einer Messung der Ladungsinfluenz, die durch an der Sensorelektrode 140 vorbeiströmende geladene Partikel bewirkt wird, die Bestimmung einer Konzentration der geladenen Partikel in dem Fluidstrom A1 . Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom A1 um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, keine optionale Sensorelektrode 140 vorzusehen. Bei diesen Erfindungsvarianten kann das sogenannte„escaping current" - Prinzip zur Messung eines Ladungsstroms der geladenen Partikel genutzt werden. Hierzu kann das komplette, den Partikelsensor 100 enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch die
Gegenelektrode der Hochspannungselektrode und eine gegebenenfalls vorhandene Gegenelektrode für die Trap-Elektrode„virtuell"), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System 100 heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von der Hochspannungselektrode 122 durch die Korona- Entladung 123 in die Gegenelektrode 124 der Hochspannungselektrode, und die Trap-Elektrode 130 bzw. ihre hier nicht gezeichnete Gegenelektrode fangen die übrigen Ionen. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln erzeugt wird, muss der Gegenelektrode 124 wieder hinzugefügt werden, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als„escaping current" bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration von aufgeladenen Partikeln.
Bei der in Figur 1 abgebildeten Ausführungsform kann als Gegenelektrode für die Trap-Elektrode 130 ein elektrisch leitfähiges Element (nicht gezeigt),
beispielsweise ein Blech, vorgesehen sein, welches über der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 100 angeordnet ist. Bei manchen Ausführungsformen kann z.B. ein den Partikelsensor 100 umgebendes Schutzrohr (nicht in Figur 1 gezeigt) aus einem elektrisch leitfähigen Material bzw. mit einer zumindest abschnittsweise vorhandenen elektrisch leitfähigen Oberfläche als
Gegenelektrode für die Trap-Elektrode 130 dienen.
Figur 2 zeigt schematisch die Anordnung des Partikelsensors 100 gemäß Figur 1 in einem Zielsystem Z, bei dem es sich vorliegend um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs handelt. Eine
Abgasströmung ist vorliegend mit dem Bezugszeichen A2 bezeichnet. Ebenfalls abgebildet ist eine Schutzrohranordnung aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren R1 , R2, wobei der Partikelsensor 100 so in dem inneren Rohr R1 angeordnet ist, dass seine erste Oberfläche 1 10a im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse LA des inneren Rohres R1 verläuft. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und der Anordnung der Rohre R1 , R2 relativ zu einander ergibt sich durch den Venturi-Effekt ein Sog, bei dem die
Abgasströmung A2 eine Fluidströmung P1 bzw. A1 aus dem inneren Rohr R1 heraus in Figur 2 in vertikaler Richtung nach oben bewirkt. Die weiteren Pfeile P2, P3, P4 deuten die Fortsetzung dieser durch den Venturi-Effekt bewirkten Fluidströmung durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Rohren R1 , R2 hindurch zur Umgebung der Schutzrohranordnung hin an. Insgesamt wird durch die in Figur 2 abgebildete Anordnung eine vergleichsweise gleichmäßige
Überströmung des Partikelsensors 100 bzw. dessen entlang der Fluidströmung P1 ausgerichteter erster Oberfläche 1 10a bewirkt, was eine effiziente Erfassung von in der Fluidströmung A1 , P1 befindlichen Partikeln ermöglicht. Darüber hinaus wird der Partikelsensor 100 vor einem direkten Kontakt mit dem Haupt- Abgasstrom A2 geschützt. Somit ist durch die Elemente 100, R1 , R2 vorteilhaft eine Sensoreinrichtung 1000 zur Bestimmung einer Partikelkonzentration in dem Abgas A2 angegeben.
Das Bezugszeichen R2' deutet eine optionale elektrische Verbindung des äußeren Rohres R2 und/oder des inneren Rohres R1 mit einem Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial an, sodass das betreffende Rohr bzw. beide Rohre vorteilhaft gleichzeitig zu ihrer fluidischen Leitfunktion als elektrische Gegenelektrode beispielsweise für die Trap-Elektrode 130 (und/oder für die Hochspannungselektrode 122), vergleiche Figur 1 , verwendbar sind.
Der Blockpfeil P5 symbolisiert in Figur 2 eine optionale Frischgasversorgung, insbesondere Frischluftversorgung, die in manchen Ausführungsformen erwünscht sein kann, bei besonders bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht vorgesehen ist.
Figur 3 zeigt schematisch ein Abgasrohr R und Teile der Sensoreinrichtung 1000 gemäß Figur 2 in dem Abgasrohr R. Insbesondere ist aus Figur 3 wiederum der erfindungsgemäße Partikelsensor 100 innerhalb der Schutzrohranordnung R1 , R2 (Fig. 2) ersichtlich. Der Partikelsensor 100 ist so in der Schutzrohranordnung ausgerichtet, dass sich seine erste Oberfläche entlang der x-Achse erstreckt, wohingegen die Strömungsrichtung des Abgases A2 in dem Abgasrohr R parallel zu der y-Achse ausgerichtet ist.
Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die Figuren 4A, 4B, 4C eine weitere Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Partikelsensors beschrieben, wobei Figur 4A schematisch eine Draufsicht, Figur 4B schematisch einen
Querschnitt mit Blick in Längsrichtung (entlang der Achse x, vergleiche Figur 4A) und Figur 4C schematisch eine Seitenansicht des Partikelsensors 100a dieser weiteren Ausführungsform zeigt.
Der Partikelsensor 100a weist wie aus Figur 4A, 4B, 4C ersichtlich wiederum einen Grundkörper 1 10, beispielsweise umfassend ein Keramiksubstrat, auf, sowie eine Hochspannungselektrode 122, die über eine
Hochspannungszuleitung 121 mit einem entsprechenden elektrischen Potenzial versorgt wird. Vorliegend weist die Hochspannungselektrode 122 eine nicht gesondert bezeichnete Nadelelektrode auf, um im Zusammenwirken mit der Gegenelektrode 124a eine Korona-Entladung (vergleiche Bezugszeichen 123 aus Figur 1 ) zu zünden. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 4A, 4B, 4C die Gegenelektrode 124a nicht vollflächig auf der Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 angeordnet. Vielmehr ist vorliegend die Gegenelektrode 124a in einem ersten Bereich 1241 , vergleiche Figur 4B, mechanisch und elektrisch leitfähig mit einer Zuleitung 1241 ' verbunden, die die Gegenelektrode 124a mit einem elektrischen
Bezugspotenzial, vorliegend beispielsweise dem Massepotenzial, verbindet.
Demgegenüber ragt ein zweiter Bereich 1242, vergleiche Figur 4B, der
Gegenelektrode 124a von der ersten Oberfläche 1 10a ab, beispielsweise derart, dass er in Figur 4B vertikal über der Nadelelektrode 122 angeordnet ist. Dadurch kann sich wie vorstehend bereits mehrfach beschrieben eine nicht in Figur 4B abgebildete Korona-Entladung zwischen den Elementen 122,124a insbesondere in dem zweiten Bereich 1242 ausbilden, welche zum Aufladen von Partikeln bzw. allgemein Teilchen eines Fluidstroms dient. Des Weiteren weist der Partikelsensor 100a eine Trap-Elektrode 130 auf, die wie aus Figur 4A ersichtlich entlang der Längsrichtung x weiter stromabwärts bezüglich der Hochspannungselektrode 122 angeordnet ist. Vorliegend ist die Trap-Elektrode 130 mittels der Verbindungsleitung 131 elektrisch leitfähig mit der Hochspannungselektrode 122 verbunden, mithin an die gemeinsame
Hochspannungsversorgung angeschlossen, welche über die
Hochspannungszuleitung 121 angebunden ist.
Die Gegenelektrode 124a ist vorliegend so ausgebildet, dass sie sich entlang der Längsrichtung x nicht nur über die Hochspannungselektrode 122 erstreckt, vergleiche Bereich 124' aus Figur 4A, sondern über ihre zungenartige
Verlängerung, vergleiche Bereich 124", auch noch über die Trap-Elektrode 130 erstreckt. Dies ist auch aus der Seitenansicht der Figur 4C ersichtlich. Damit wirkt die Gegenelektrode 124a gleichzeitig auch als Gegenelektrode für die Trap- Elektrode 130, wodurch geladene Teilchen, die sich entlang der Strömungs- bzw. Längsrichtung x an der ersten Oberfläche 1 10a an dem Partikelsensor 100a vorbei bewegen, in Figur 4B und Figur 4C in vertikaler Richtung, beispielsweise zu der Trap-Elektrode 130 hin, abgelenkt werden. Sofern es sich hierbei um vergleichsweise massearme Teilchen wie beispielsweise geladene Gasteilchen bzw. Ionen handelt, werden diese üblicherweise bis auf die Trap-Elektrode 130 hin abgelenkt und gelangen somit nicht weiter stromabwärts zu der vorliegend ebenfalls vorgesehenen Sensorelektrode 140. Auf diese Weise gelangen demnach nur vergleichsweise massereiche geladene Teilchen wie
beispielsweise mittels der Partikelaufladeeinrichtung 120 aufgeladene Partikel, beispielsweise Rußpartikel eines Abgasstroms, in den Bereich der
Sensorelektrode 140 und können dort mittels Ladungsinfluenz an der
Sensorelektrode 140 in an sich bekannter Weise detektiert werden. Eine elektrische Zuleitung für die Sensorelektrode 140 ist vorliegend mit dem
Bezugszeichen 141 (Fig. 4A) bezeichnet und führt, ebenso wie die weiteren Zuleitungen 121 , 1241 ' in einen in Figur 4A links angeordneten ersten axialen Endabschnitt 1 10' des Partikelsensors 100a.
Wie ebenfalls aus Figur 4A ersichtlich ist, sind die Komponenten 122,130,140 entlang der Längsrichtung x, die einer Strömungsrichtung des über die erste Oberfläche 1 10a strömenden Fluidstroms A1 (Fig. 1 ) entspricht, angeordnet. Vorliegend befindet sich die Sensorelektrode 140 beispielsweise im Bereich des dem ersten axialen Endabschnitt 1 10' gegenüberliegenden zweiten axialen Endabschnitts 1 10"des Partikelsensors 100a.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine in Figur 4A vertikal gemessene Bereite b2 der Sensorelektrode 140 nicht wesentlich kleiner als die Gesamtbreite b1 des Grundkörpers 1 10, wodurch eine besonders große Empfindlichkeit und damit auch Messgenauigkeit des Partikelsensors 100 A erzielt wird. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen weist ein Quotient Q der beiden Breiten, Q = b2 / b1 , Werte im Bereich von etwa 60% bis etwa 100 % auf, insbesondere Werte im Bereich von etwa 75 % bis etwa 98 %.
Besonders vorteilhaft kann die Konfiguration 100a gemäß Figur 4A, 4B, 4C dazu verwendet werden, einen planaren, keramikbasierten Partikelsensor, insbesondere für Rußpartikel, bereitzustellen. Der Partikelsensor 100a weist eine Hochspannungs-Nadelelektrode 122 und eine Masseelektrode 124a als
Gegenelektrode auf, zwischen denen mittels einer Hochspannung eine Korona- Entladung gezündet wird, wodurch ein über die erste Oberfläche 1 10a und insbesondere zwischen den Elektroden 122 und 124a hinein strömender Fluidstrom bzw. Luft-/Partikelfluss geladen bzw. ionisiert wird. Die Trap-Elektrode 130 fängt sodann Ionen und andere leichtere geladene Teilchen aus dem Fluidstrom ab, insbesondere solche geladenen Teilchen, die nicht an in dem Fluidstrom enthaltenen Partikeln wie beispielsweise Rußpartikeln haften. Eine Ladungsmessung für die Rußpartikel findet bei dieser Ausführungsform mittels Ladungsinfluenz an der Sensorelektrode 140 statt.
Wie bereits vorstehend beschrieben, kann der Grundkörper 1 10 des
Partikelsensors 100a vorteilhaft aus einem keramischen Trägersubstrat bestehen. Das Trägersubstrat kann beispielsweise Zirkon- oder Aluminiumoxid aufweisen und dient als Träger für die verschiedenen Komponenten des
Partikelsensors 100a, die vorteilhaft alle gemeinsam auf der ersten Oberfläche 1 10a angeordnet sind, wodurch sich eine besonders effiziente und
kostengünstige Herstellung ergibt. Beispielsweise können die Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen 121 , 131 , 141 , 1241 ' auf der ersten Oberfläche 1 10a effizient mittels bekannter Fertigungstechnologien aufgebracht werden, beispielsweise unter Verwendung von Siebdruckverfahren, insbesondere Platin- Siebdruckverfahren. Dadurch können besonders temperaturstabile und zuverlässige Strukturen erzeugt werden. Die Elektroden 122,130,140 sowie eine auf der ersten Oberfläche 1 10a angeordnete Gegenelektrode 124 (vergleiche Figur 1 ) können ebenfalls vorteilhaft unter Verwendung der vorstehend genannten Siebdruckverfahren, insbesondere Platin-Siebdruckverfahren, hergestellt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Nadelelektrode der Hochspannungselektrode 122, die selber beispielsweise aus Platin oder Wolfram oder einem wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Werkstoff gebildet ist, beispielsweise mittels einer Siebdruck-Platin-Paste durch Sintern an dem Substrat bzw. den Grundkörper 1 10a mechanisch befestigt und gleichzeitig elektrisch leitfähig mit diesem verbunden werden.
Alternativ sind auch andere Verbindungsverfahren für die Komponenten 122 und ihre Nadelelektrode denkbar. Dasselbe gilt für die anderen Elektroden bzw. Leiterbahnen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens wird in einem ersten Schritt 200, vergleiche Figur 8, der Grundkörper 1 10 (Fig. 1 ) bereitgestellt, beispielsweise in Form eines
keramischen Trägersubstrats. In einem zweiten Schritt 210, vergleiche Figur 8, werden die Partikelaufladeeinrichtung 120 und die Trap-Elektrode 130 auf der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 angeordnet. Dies kann beispielsweise mittels eines der vorstehend genannten Siebdruckverfahren, insbesondere mittels Platin-Siebdruck, erfolgen. Besonders bevorzugt können in demselben Arbeitsschritt die mehreren Komponenten 120, 130 bzw. deren auf der ersten Oberfläche 1 10a angeordnete Elektroden 122, 130 sowie
gegebenenfalls auch entsprechende Zuleitungen 121 , 131 , 1241 ' in demselben Arbeitsschritt auf die erste Oberfläche 1 10a aufgebracht werden, was eine besonders effiziente und kostengünstige Fertigung des Partikelsensors ermöglicht.
Sofern die optionale Sensorelektrode 140 ebenfalls vorgesehen ist, kann auch die Sensorelektrode 140 sowie ihre Zuleitung 141 in dem vorstehend genannten Arbeitsschritt 210 auf die erste Oberfläche 1 10a aufgebracht werden. Sofern eine Gegenelektrode 124 (Figur 1 ) ebenfalls, insbesondere vollflächig, auf die erste Oberfläche 1 10a, aufgebracht werden soll, kann dies ebenfalls in dem Schritt 210 gemäß Figur 8 erfolgen. Auch eine zumindest teilweise von der ersten Oberfläche 1 10a abragende Gegenelektrode 124a, vergleiche Figur 4B, kann in dem Schritt 210 auf der ersten Oberfläche 1 10a aufgebracht bzw. an der ersten Oberfläche 1 10a angebracht werden. Die Gegenelektrode 124a kann bei einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise aus einem Blech oder einem sonstigen flächig ausgebildeten elektrisch leitfähigen oder eine elektrisch leitfähige Oberfläche besitzenden Material bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt kann die Gegenelektrode 124a an einem vorgebbaren Längenbereich der Massezuleitung 1 141 ' mechanisch befestigt und elektrisch leitfähig mit dieser verbunden werden, zum Beispiel mittels einer Platin-Paste und einem
anschließenden Sintervorgang. Auf diese Weise kann durch entsprechende Formgebung der Gegenelektrode 124a die in Figur 4A, 4B, 4C gezeigte
Konfiguration erhalten werden, bei welcher die Gegenelektrode 124a zumindest bereichsweise von der ersten Oberfläche 1 10a abragt und der
Hochspannungselektrode 122 gegenüber liegt. Die optionale, zungenartige Verlängerung der Gegenelektrode 124a in dem Bereich 124", vergleiche Figur 4A, kann vorteilhaft zur Ausbildung einer Gegenelektrode für die Trap-Elektrode 130 genutzt werden. Dadurch kann zwischen den Elektroden 124, 130 ein elektrisches Feld bereitgestellt werden, das Ionen aus einer Fluidströmung über der Oberfläche 1 10a des Partikelsensors 100 ablenkt bzw. filtert. Demgegenüber sind schwerere aufgeladene Partikel wie beispielsweise Rußpartikel aufgrund ihrer Masse zu träge und fliegen in der Fluidströmung weiter zu der
Sensorelektrode 140, wo ihre Ladung mittels Ladungsinfluenz gemessen und als Maß für die Partikelkonzentration, insbesondere Rußpartikelkonzentration, verwendet werden kann.
Alternativ zu der zungenartigen Verlängerung in dem Bereich 124" der
Gegenelektrode 124 kann auch ein den Partikelsensor 100a umgebendes Schutzrohr, vergleiche beispielsweise das innere Rohr R1 gemäß Figur 2, elektrisch leitfähig ausgebildet und mit einem Bezugspotenzial beaufschlagt werden, sodass dieses Rohr R1 eine Gegenelektrode für die Trap-Elektrode 130 und/oder die Hochspannungselektrode 122 bildet. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Konfiguration des in Figur 4A, B, C abgebildeten Partikelsensors 100a so modifiziert werden, dass die Sensorelektrode 140 und ihre Zuleitung 141 entfällt. Bei dieser Variante kann eine Messung einer Partikelkonzentration beziehungsweise
Rußpartikelkonzentration im Wege der„escaping current" Methode erfolgen. Hierzu ist wie vorstehend bereits erwähnt die gesamte Anordnung 100a elektrisch zu isolieren, um den gleichsam einen Fehlstrom darstellenden „escaping current" messen zu können.
Figur 5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor 100b gemäß einer weiteren Ausführungsform, insbesondere auf eine seiner ersten Oberfläche 1 10a (Figur 1 ) gegenüberliegende zweite Oberfläche 1 10b, bei der es sich beispielsweise um eine„Unterseite" des Partikelsensors 100b handelt. Auf dieser zweiten Oberfläche 1 10b ist eine elektrische Heizeinrichtung 160 vorgesehen, welche vorzugsweise mäanderförmige Heizleiterbahnen 162 sowie
entsprechende elektrische Anschlüsse 164 aufweist. Die Herstellung der Strukturen 162,164 kann wiederum vorteilhaft mittels Siebdruck, insbesondere mittels Platin-Siebdruck, erfolgen. Die elektrische Heizeinrichtung 160 kann beispielsweise zur Erhöhung der Temperatur des Partikelsensors 100b verwendet werden, insbesondere um Partikelablagerungen, insbesondere Rußablagerungen, zu reduzieren oder zu unterbinden. Andernfalls könnten solche Ablagerungen zu einer Verringerung der Kriechwege bzw. des
elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden auf dem an sich elektrisch nicht leitfähigen Substrat 1 10, insbesondere seiner ersten Oberfläche 1 10a, und schließlich zu einem elektrischen Kurzschluss führen. Bei weiteren
Ausführungsformen kann die Heizeinrichtung auch dazu ausgebildet sein, eine Temperatur des Partikelsensors 100, 100a, 100b zumindest zeitweise über eine vorgebbare Solltemperatur, insbesondere in einem Bereich zwischen etwa 650 °C bis etwa 700 °C, zu erhöhen, um Ablagerungen, insbesondere
Rußablagerungen, gezielt abzubrennen.
Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die Figuren 6A, 6B eine weitere
Ausführungsform 100c des erfindungsgemäßen Partikelsensors beschrieben, wobei Figur 6A schematisch eine Draufsicht und Figur 6B schematisch einen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung (entlang der Achse x, vergleiche Figur 6A) zeigt. Der Partikelsensor 100c weist keine Sensorelektrode (Bezugszeichen 140, vergleiche Figur 4A) auf, und eine Messung einer Konzentration von geladenen Partikeln wie beispielsweise Rußpartikeln wird vorliegend unter Anwendung des vorstehend bereits beschriebenen„escaping currenf-Prinzips ausgeführt. Das komplette System 100c wird nach außen isoliert, wodurch die Gegenelektrode bzw. Masseelektrode 124b zu einer virtuellen Masseelektrode wird, und es wird der Strom gemessen, welchen die Rußpartikel in Form ihrer elektrischen
Aufladung aus dem ansonsten geschlossenen System 100c heraustragen. Der Strom fließt beispielsweise von der Nadel der Hochspannungselektrode 122 durch den Bereich der Koronaentladung in die Masseelektrode 124b, und die Trap-Elektrode 130 fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, der von den geladenen Partikeln, insbesondere geladenen Rußpartikeln, erzeugt wird, muss der Masseelektrode 124b wieder hinzugefügt werden, damit ihr elektrisches Potenzial konstant bleibt. Dieser Strom wird auch als„escaping current" bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration geladener Partikel.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 4B ist aus Figur 6B ersichtlich, dass der Partikelsensor 100c eine Gegenelektrode bzw.
Masseelektrode 124b aufweist, welche in beiden Randbereichen 1241 a, 1241 b mit der Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 mechanisch verbunden ist. Eine elektrisch leitfähige Verbindung ist mindestens zwischen dem Bereich 1241 b und der Masseleitung 1241 gegeben. Ein mittlerer Bereich 1242 der Masseelektrode 124b ragt wie aus Figur 6B ersichtlich von der Oberfläche 1 10a des
Grundkörpers 1 10 ab, wodurch ein Raumbereich zwischen der Innenseite des Bereichs 1242 und der Hochspannungselektrode 122 definiert wird, der die Korona-Entladung umfassen kann, und in dem die vorstehend genannte
Aufladung von Teilchen bzw. Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, erfolgen kann.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform 100d eines erfindungsgemäßen Partikelsensors. Wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 6A ist vorliegend die Masseelektrode 124c beidseitig (bezogen auf die
Hochspannungselektrode 122) auf der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 1 10 angeordnet und mit dieser verbunden. Auf einer ersten Seite erfolgt die mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung mit der Massezuleitung 1241 , und auf einer zweiten Seite, in Figur 7 oberhalb der Hochspannungselektrode 122, erfolgt zumindest eine mechanische und gegebenenfalls auch elektrisch leitfähige Verbindung des betreffenden Bereichs der Masseelektrode 124c mit einem auf der Oberfläche 1 10a angeordneten Leiterabschnitt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 100, 100a, 100b, 100c, 100d können die Zuleitungen bzw. Leiterbahnen und Elektroden bevorzugt mittels Siebdruck, insbesondere mittels Platin-Siebdruck, auf dem Grundkörper 1 10 bzw. dessen erster Oberfläche 1 10a hergestellt werden.
Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 6A, 6B ist bei dem
Partikelsensor 100d gemäß Figur 7 ein zungenförmiger axialer Endbereich 124" vorgesehen, der über die Trap-Elektrode 130 ragt, wohingegen die
Befestigungsbereiche der Masseelektrode 124b sich in axialer Richtung x nicht bis hin zur bzw. entlang der Trap-Elektrode 130 erstrecken. Der axiale
Endbereich 124" ragt somit frei über die Trap-Elektrode 130. Dadurch ist eine verbesserte elektrische Isolation zwischen den Elektroden 124c, 130 gegeben.
Die vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen bzw. ihre
Merkmale können bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen auch in anderen als den vorstehend beschriebenen Kombinationen miteinander genutzt werden.
Besonders vorteilhaft weist der erfindungsgemäßen Partikelsensor 100, 100a, 100b, 100c, 100d bevorzugt ein planares Keramiksubstrat auf, das den
Grundkörper 1 10 bildet, und auf dessen Oberfläche 1 10a sind verschiedene Komponenten des Partikelsensors wie beispielsweise Elektroden und
entsprechende elektrische Zuleitungen bzw. Leiterbahnen angeordnet, was eine besonders einfache Fertigung ermöglicht. Der erfindungsgemäße Partikelsensor kann besonders einfach in einem Schutzrohr bzw. einer Schutzrohranordnung R1 , R2, vergleiche Figur 2, angeordnet werden und somit einer gleichmäßigen Fluidströmung A1 , P1 ausgesetzt werden, was eine präzise Messung der Konzentration von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, ermöglicht. Wie vorstehend bereits beschrieben sind Varianten mit wenigstens einer
Sensorelektrode 140 (Fig. 4A) oder auch mehreren Sensorelektroden (nicht gezeigt) möglich, und es sind ebenfalls Varianten ohne Sensorelektrode (Fig. 6A, 7) möglich, bei denen bevorzugt das„escaping currenf-Messprinzip zur Ermittlung einer Konzentration von geladenen Partikeln genutzt wird. Der planare Aufbau des Partikelsensors ermöglicht des Weiteren eine kostengünstige Fertigung und Lagerung sowie eine klein bauende Konfiguration für ein entsprechendes Zielsystem Z (Fig. 2). Besonders vorteilhaft ist bei manchen Ausführungsformen die Verwendung von Siebdruck-Elektroden, insbesondere Platin-Siebdruck-Elektroden, in Kombination mit planaren und/oder aus der ersten Oberfläche 1 10a herausragenden Elementen wie beispielsweise den Masseelektroden 124, 124a, 124b, 124c.
Der erfindungsgemäße Partikelsensor kann besonders bevorzugt als
Rußpartikelsensor im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, insbesondere als OBD (on board diagnosis)- Sensor für die Überwachung eines Partikelfilters in Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Personenkraftwagen (PKW), Nutzkraftwagen (NKW). Der erfindungsgemäße Partikelsensor kann ferner zur Messung der Konzentration von Partikeln in einer Fluidströmung allgemein eingesetzt werden, insbesondere zur Messung einer Konzentration von Staubpartikeln bzw.
Feinstaubpartikeln, und kann daher vorteilhaft insbesondere auch bei der Umweltmesstechnik eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Partikelsensor ermöglicht vorteilhaft sowohl die
Bestimmung einer Massenkonzentration, zum Beispiel angegeben in Milligramm pro Kubikmeter (mg/m3), als auch die Bestimmung einer Anzahlkonzentration, beispielsweise gemessen in Partikel je Kubikmeter. Besonders vorteilhaft kann der Partikelsensor zur Überwachung von Partikelfiltern bei Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, sowohl bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen wie auch bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Ferner ermöglicht der
erfindungsgemäße Partikelsensor die Bestimmung von Partikelkonzentrationen in der Umweltmesstechnik und in sonstigen Bereichen, insbesondere zur Ermittlung einer Raumluftqualität, der Emissionen von Verbrennungsanlagen (privat, industriell), usw..
Das erfindungsgemäß genutzte Messprinzip basiert auf einer Aufladung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, mittels einer Korona-Entladung in dem Fluidstrom A1 (Fig. 1 ) und einer anschließenden Messung der Ladung der Partikel bzw. der Rußpartikel bzw. der Messung eines entsprechenden, hieraus resultierenden Stroms. Die Messung kann beispielsweise mittels Ladungsinfluenz an einer Sensorelektrode 140 (Fig. 1 ) oder nach dem„escaping currenf-Prinzip erfolgen. Das erfindungsgemäß genutzte Messprinzip weist eine sehr hohe Empfindlichkeit auf, wodurch auch kleinste Konzentrationen von Partikeln messbar sind. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäß genutzte Messprinzip vorteilhaft vergleichsweise hohe Aktualisierungsraten („update"- Raten), also vergleichsweise viele Messungen je Sekunde. Dies erlaubt vorteilhaft eine Korrelation des hierbei erhaltenen Messsignals beispielsweise mit anderen Betriebsgrößen, wie beispielsweise Betriebsgrößen einer
Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrom der Partikelsensor angeordnet ist, was vorteilhaft eine Verbesserung der Datenauswertung und damit eine weitere Erhöhung der Sensorgenauigkeit zur Folge hat.

Claims

Ansprüche
1 . Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od) mit einem Grundkörper (1 10), einer Partikelaufladeeinrichtung (120) zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche (1 10a) des Grundkörpers (1 10) strömenden Fluidstrom (A1 ), und einer Trap-Elektrode (130) zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms (A1 ), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) und die Trap-Elektrode (130) auf der ersten Oberfläche (1 10a) des
Grundkörpers (1 10) angeordnet sind.
2. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od) nach Anspruch 1 , wobei die erste Oberfläche (1 10a) eine Außenoberfläche des Grundkörpers (1 10) ist.
3. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) eine
Hochspannungselektrode (122) zur Erzeugung einer Korona-Entladung (123) aufweist.
4. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) nach Anspruch 3, wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) eine Gegenelektrode (124; 124a; 124b; 124c) zu der Hochspannungselektrode (122) aufweist.
5. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) nach Anspruch 4, wobei die Gegenelektrode (124; 124a; 124b) ebenfalls auf der ersten Oberfläche
(1 10a) angeordnet ist.
6. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Gegenelektrode (124a; 124b; 124c) zu der
Hochspannungselektrode (122) gleichzeitig eine Gegenelektrode zu der Trap-Elektrode (130) bildet.
7. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Gegenelektrode (124a; 124b; 124c) zumindest in einem ersten Bereich (1241 ) der Gegenelektrode auf der ersten Oberfläche (1 10a) angeordnet ist, und wobei ein von dem ersten Bereich (1241 ) verschiedener zweiter Bereich (1242) der Gegenelektrode (124a; 124b; 124c) von der ersten Oberfläche (1 10a) abragt.
8. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Sensorelektrode (140) zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom vorgesehen ist, der durch Partikel aus dem Fluidstrom (A1 ) verursacht wird, die mittels der
Partikelaufladeeinrichtung (120) aufgeladen wurden, wobei die mindestens eine Sensorelektrode (140) ebenfalls auf der ersten Oberfläche (1 10a) angeordnet ist.
9. Sensoreinrichtung (1000) aufweisend eine Schutzrohranordnung aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren (R1 , R2) und wenigstens einen Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Partikelsensor (100;
100a; 100b; 100c; 10Od) so in dem inneren Rohr (R1 ) der beiden Rohre (R1 , R2) angeordnet ist, dass seine erste Oberfläche (1 10a) im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (LA) des inneren Rohres (R1 ) ausgerichtet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors (100; 100a; 100b; 100c;
100d) mit einem Grundkörper (1 10), einer Partikelaufladeeinrichtung (120) zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche (1 10a) des Grundkörpers (1 10) strömenden Fluidstrom (A1 ), und einer Trap-Elektrode (130) zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms (A1 ), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (200) des
Grundkörpers (1 10), Anordnen (210) der Partikelaufladeeinrichtung (120) und der Trap-Elektrode (130) auf der ersten Oberfläche (1 10a) des
Grundkörpers (1 10).
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