EP3658888A1 - Partikelsensor und herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Partikelsensor und herstellungsverfahren hierfür

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Publication number
EP3658888A1
EP3658888A1 EP18740560.0A EP18740560A EP3658888A1 EP 3658888 A1 EP3658888 A1 EP 3658888A1 EP 18740560 A EP18740560 A EP 18740560A EP 3658888 A1 EP3658888 A1 EP 3658888A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
sensor
particle
particle sensor
base body
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Withdrawn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
EP18740560.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Radoslav Rusanov
Oliver Krayl
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 EP3658888A1 publication Critical patent/EP3658888A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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

Definitions

  • the invention relates to a particle sensor having a base body and a particle charging device for charging particles in a fluid flow flowing over a first surface of the base body, wherein the
  • High voltage electrode for generating a corona discharge has.
  • the invention further relates to 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 comprises a main body and a particle charging device for charging particles in a over a first surface of the
  • the particle charging device arranged in the region of the first surface of the high-voltage electrode for Producing a corona discharge.
  • a counter electrode to the high voltage electrode is provided, wherein the counter electrode is configured and arranged to deflect charged particles of the fluid flow. Under a counter electrode is present one of the
  • High voltage electrode different electrode understood, which is acted upon by a respect to the high voltage electrode different electrical potential.
  • High voltage electrode to be placed on a reference potential or be firmly connected to a reference potential having circuit node.
  • the high voltage electrode may have a positive or negative electrical potential over the
  • the counter electrode advantageously fulfills a dual function.
  • the counterelectrode simultaneously forms a so-called trap electrode, which makes it possible to use the corona discharge charged particles of the
  • the invention provides that the
  • Counter electrode is formed and arranged with respect to the high voltage electrode, that it can also fulfill the function of the trap electrode.
  • the counterelectrode according to the invention can therefore also be referred to as a combined "trap and corona counterelectrode" and enables a particularly efficient production of the particle sensor as well as an overall cost-effective
  • the fluid stream may be an exhaust gas stream of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the particles may be soot particles, such as those produced as part of combustion of fuel by an internal combustion engine.
  • the base body has a substrate element or is formed from a substrate element.
  • the main body is particularly preferred formed a substantially planar ceramic substrate.
  • the basic body can have a substantially cuboidal basic shape with a width and a length, wherein a height dimension is comparatively small with respect to the width and the length. More preferably, the first surface is an outer surface of the main body.
  • the corona discharge provided by the present invention in the particle sensor allows for charging of particles or particles in general, e.g. also of gases, from the fluid flow or exhaust gas flow in a space around the
  • the high voltage electrode has at least one needle-shaped electrode or tip. In an advantageous embodiment, it is provided that the
  • High voltage electrode at least partially, in particular directly, is arranged on the first surface of the base body, wherein the counter electrode at least partially, in particular directly, on the first surface of the
  • Basic body is arranged.
  • a particularly small-sized configuration results when the high-voltage electrode and the counter electrode, in particular completely, are arranged on the first surface of the base body.
  • a "direct" arrangement of the relevant electrode on the first surface of the base body which can be provided in some embodiments is understood here to mean that the relevant electrode has a substantially flat contact area with the first surface or covers the first surface in contact, for example in the form of a coating ,
  • the relevant electrode (s) on the first surface of the base body are conceivable, in which the relevant electrode is arranged for example in the region of the first surface, but not directly on it.
  • a voltage source for supply so electrical power supply, the
  • Particle charging device wherein a first terminal of the voltage source is electrically conductively connected to the high voltage electrode, and wherein the counter electrode is electrically conductive via a
  • Resistor element is connected to a second terminal of the voltage source.
  • the provision of the resistance element which according to preferred embodiments can be a substantially purely resistive resistance element, advantageously affords degrees of freedom with regard to an operation of the particle sensor. For example, by selecting the resistance value of the resistive element and the other operating parameters (e.g., electrical voltage delivered from the voltage source), the electrical potential of the counterelectrode may be affected. Since these embodiments assume the function of the trap electrode at the same time, the electrical potential of the trap electrode can thus also be influenced, in particular independently of operation of the corona discharge, which is advantageous for the functionality of the particle sensor.
  • Resistance element between about 10 megohms and about 2 gigaohms, preferably between about 200 megohms and about 600 megohms.
  • a first part of the counter electrode is arranged directly on the first surface of the base body, and at least a second part of the counter electrode protrudes from the first surface at least in regions.
  • Counter electrode arranged on the first surface of the base body, which allows a simple electrical contacting of the counter electrode, for example, arranged on the first surface of conductor tracks or conductor structures. Furthermore, it can be provided that a second region or part of the counterelectrode, which differs from the first region or part, from the first
  • Counter electrode with arranged on the first surface of the base body components (for example, conductor tracks).
  • At least one sensor electrode is provided for detecting information about an electric charge flow caused by particles from the fluid flow generated by means of the
  • the at least one sensor electrode was disposed on the first surface.
  • the at least one sensor electrode is disposed on the first surface.
  • Counter electrode and the optional sensor electrode arranged along a longitudinal axis of the base body on the first surface thereof,
  • the particle charging device for example by means of the corona discharge, particles or particles of the
  • Counter electrode addition for example, to the sensor electrode, where they can be detected, for example by means of charge influence on the sensor electrode in a conventional manner.
  • 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, and it is an electric current measured, which carry the charged particles in the form of their electrical charge from the otherwise electrically isolated and therefore closed system.
  • the considered electric current flows from a needle electrode of the high voltage electrode through the corona discharge into the counter electrode of the high voltage electrode, and the trapping electrode portion of the counter electrode traps the remaining ions.
  • Counter electrode is added again so that their electrical potential remains constant. It is called "escaping current" and is a measure of the concentration of charged particles.
  • At least one first protection electrode is provided which surrounds the at least one sensor electrode at least partially, but preferably completely and substantially annularly.
  • the sensor electrode is arranged completely on the first surface of the base body. In some embodiments, then the first
  • Protective electrode also be formed substantially flat and preferably surround the entire sensor electrode annular.
  • the first protection electrode which can also be referred to as a "guard electrode" serves to protect the first protection electrode
  • the provision of at least the one first guard electrode can result in a signal-to-noise
  • Ratio SNR, signal-to-noise ratio
  • a region of the counter electrode surrounds the high-voltage electrode at least partially, but preferably completely and substantially annularly. This allows leakage currents, e.g. minimized in the direction of an optional sensor electrode and the signal-to-noise ratio can be further improved.
  • the at least one other electrode (For example, the counter electrode or at least one trap electrode region of the counter electrode and / or the possibly existing first guard electrode) of the particle sensor at least partially, but preferably completely and substantially annular, surrounds.
  • 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 from external influences (for example, also from direct flow through exhaust gas), and at the same time it is ensured that a uniform or laminar 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.
  • the method comprises: providing the base body, arranging the high-voltage electrode on the first surface of the base body, at least partially arranging the counter-electrode on the first surface, in particular so relative to the
  • High voltage electrode that it can deflect charged particles of the fluid stream.
  • Particularly preferred may in some embodiments
  • Siebdruckbacter in particular platinum screen printing, be used to the particle charging device or components thereof and the trap electrode area and optionally an optional sensor electrode or equivalent
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of the particle sensor according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows a side view of a second embodiment of the particle sensor according to the invention
  • Figures 3 and 4 show schematically the arrangement of a particle sensor in one
  • FIG. 5 schematically shows a plan view of a particle sensor according to a third embodiment
  • FIG. 6 schematically shows a plan view of a particle sensor according to a fourth embodiment
  • FIG. 7A schematically shows a plan view of a particle sensor according to a fifth embodiment
  • FIG. 7B schematically shows a front view in cross section of the particle sensor from FIG. 7A according to line B-B
  • FIG. 8 schematically shows a plan view of a particle sensor according to a further embodiment
  • FIG. 9 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
  • Ceramic material can be formed.
  • the base body 1 10 a the base body 1 10 a
  • Thickness d1 which is preferably smaller, in particular substantially smaller (e.g., at least about 80% smaller than a length L extending along the x-axis and smaller than a width extending perpendicular to the plane in FIG.
  • a particle charging device 120 is arranged in the region of a first surface 11a of the main body 110, which is an outer surface of the main body 110 in FIG. 1.
  • the particle charging device 120 is particularly preferably arranged directly on the first surface 110a.
  • 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 particles not shown
  • Particle charger 120 Particle charger 120, a high voltage electrode 122, the
  • High voltage electrode 122 may be connected, for example, to a high voltage source not shown in Figure 1. Furthermore, the
  • Particle charging device 120 via a counter electrode 124 the present fully or completely on the first surface 1 10a of the main body
  • FIG. 1 10 is arranged, resulting in a simple contact by means of on the first surface 1 10a providable interconnects (not shown in Figure 1) and overall a small-sized configuration results.
  • the dashed ellipse in FIG. 1 indicates a region of increased ion concentration.
  • the counter-electrode 124 in addition to a first region 124a, which acts primarily as an electrical counterelectrode to the high-voltage electrode 122, a second region 124b, which realizes the function of a trap electrode according to the invention and therefore also as a trap electrode region referred to as.
  • the trap electrode region 124b of the counter electrode 124 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.
  • particles charged by the trap electrode region 124b are particularly advantageously,
  • ions in particular, are deflected out of the fluid flow A1 so that they do not reach the downstream sensor array 140.
  • the counterelectrode 124 may be exposed to an electrical potential different from that of the sensor electrode 140
  • High voltage potential differs, with which the high voltage electrode 122 can be acted upon.
  • the main body 110 extends with its length L between the coordinates x0, x6 of the x-axis horizontal in FIG.
  • the high voltage electrode 122 is arranged approximately in the region of the coordinate x1> x0, and the counter electrode approximately between the
  • the optional sensor electrode extends approximately between them
  • Information about an electric charge flow provided by charged particles from the fluid flow A1 is provided.
  • these may be particles which are conveyed by means of the particle charging device
  • the sensor electrode 140 makes it possible to determine a charge by means of a measurement of the charge influence which is caused by charged particles flowing past the sensor electrode 140
  • Concentration of the charged particles in the fluid flow A1 is an exhaust gas flow of an internal combustion engine (not shown).
  • the particles may be around
  • Soot particles act as they arise in the context 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 insulated to the outside, and an electric current is generated
  • the electric current under consideration flows from the high voltage electrode 122 through the corona discharge 123 into the
  • Area 124b captures the remaining ions.
  • the current generated by the charged particles must be added to the counter electrode 124 again so that its electrical potential remains constant. It is called “escaping current” and is a measure of the concentration of charged particles.
  • an electrically conductive element (not shown), for example a metal sheet, may optionally be provided as the counterelectrode for the trap electrode region 124b, which, for example, is arranged above the first surface 110a of the base body 100 according to FIG is.
  • an electrically conductive element for example a metal sheet, may optionally be provided as the counterelectrode for the trap electrode region 124b, which, for example, is arranged above the first surface 110a of the base body 100 according to FIG is.
  • the counterelectrode for the trap electrode region 124b may optionally be provided as the counterelectrode for the trap electrode region 124b, which, for example, is arranged above the first surface 110a of the base body 100 according to FIG is.
  • FIG. 2 schematically shows a side view of a second embodiment 100a of the particle sensor according to the invention.
  • the particle sensor 100a has a voltage source 130 for supplying, ie electrical energy supply, the particle charging device 120, wherein a first terminal 132a of the
  • Voltage source 130 electrically conductive with the high voltage electrode 122nd is connected, and wherein the counter electrode 124 is electrically conductive via a resistive element 134 with a second terminal 132 b of
  • Voltage source 130 is connected.
  • the voltage source 130 may be configured to generate a first voltage U1 ("high voltage" for generating the corona discharge 123), which in some embodiments may be in the range of a few kilovolts (kV), for example.
  • it can be a substantially purely resistive resistance element, resulting in advantageous degrees of freedom with respect to an operation of the particle sensor 100a.
  • the resistance value of the resistive element 134 and the other operating parameters such as the voltage provided to the voltage source 130, the electrical potential of the
  • Counterelectrode 124 can be influenced. Since, according to the embodiments, this simultaneously assumes the function of a trap electrode, compare the trap electrode region 124b (FIG. 1), the electrical potential of the trap electrode or of the trap electrode region 124b can thus also be influenced. in particular independent of operation of the corona discharge 123, which is advantageous for the functionality of the particle sensor 100a.
  • Resistor element 134 between about 10 megohms and about 2 gigaohms, preferably between about 200 megohms and about 600 megohms.
  • an electrical voltage U2 which is dependent inter alia on a corona current in the region of the corona discharge 123 which flows, for example, from the high-voltage electrode 122 to the trap electrode region 124b, drops at the terminals 134a, 134b of the resistance element 134 ,
  • the second port 132b is the
  • a required voltage between the high voltage electrode 122 and the trap electrode region 124b may be determined by a suitable choice of the geometry of the particle sensor
  • Components and the desired corona current can be determined, so for example by the operating point of the corona discharge (typically
  • the voltage source 130 in addition to the actual corona voltage, also supplies the voltage U2 of the trap electrode region, which may amount to a few 100 V, for example.
  • an optional sheet B which can be used as a counter electrode for the trap electrode region 124b (FIG. 1). As can be seen from FIG. 2, it is arranged, for example, over the first surface 110a of the main body 100.
  • a protective tube surrounding the particle sensor 100 assumes the function of the sheet B.
  • the sheet B may be connected to an electrical reference potential, such as ground potential.
  • FIG. 3 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 tract of an internal combustion engine, for example of a motor vehicle.
  • a target system Z which in the present case is an exhaust tract of an internal combustion engine, for example of a motor vehicle.
  • 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.
  • Overall, by the arrangement shown in Figure 3 is a comparatively uniform Overflow of the particle sensor 100 and its along the fluid flow P1 aligned first surface 1 causes 10a, which allows efficient detection of particles in the fluid flow A1, P1.
  • the particulate sensor 100 is protected from direct contact with the main exhaust stream A2.
  • 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 guiding function as electrical counter electrode, for example for the trap 1, can be used and, for example, assumes the function of the sheet B described above with reference to FIG. 2.
  • the block arrow P5 symbolizes in FIG. 3 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. 4 schematically shows an exhaust pipe R and parts of the sensor device 1000 according to FIG. 2 in the exhaust pipe R.
  • FIG. 3 again shows the particle sensor 100 according to the invention inside the protective pipe arrangement R1, FIG.
  • 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.
  • FIG. 5 schematically shows a plan view of a particle sensor 100b according to a third embodiment.
  • the main body 1 10 is formed as a substantially planar ceramic substrate element, and on its first Surface 1 10a are the high voltage electrode 122, a counter electrode 124 and a sensor electrode 140 applied, for example by means of
  • the high-voltage electrode 122 has its right end section in FIG.
  • the counterelectrode 124 in turn has a first region 124a, which essentially acts as an electrical counter electrode to the
  • High voltage electrode 122 acts as well as a trap electrode region 124b.
  • the counterelectrode 124 is as schematically shown in FIG. 2 and already described above via a resistance element 134 with the
  • connection region 1240 which
  • a conductor track in the manner of a conductor track can be formed and extend over a comparatively large longitudinal portion of the base body 1 10 in Figure 5 in the horizontal direction to a simple electrical
  • the soot particles located in the exhaust gas electrically.
  • the excess ions are then removed by the electric field between a protective tube wall acted upon, for example, by the ground potential GND (see FIG. 3 or sheet B from FIG. 2) and the trap electrode region 124b of the counter electrode 124.
  • the charged soot particles then generate a charge on the sensor electrode 140, which is amplified and read out.
  • a preamplifier 141 may be provided, whose input 141 a is electrically connected to the sensor electrode 140. This can be done, for example, via a connecting strip 1440, which in turn is essentially designed as a conductor track, and, for example, an electrical connection
  • Connection point 1441 be realized.
  • An output signal of the preamplifier 141 For example, it may be supplied to an optional signal processing device 142, which may comprise, for example, a digital signal processor (DSP).
  • DSP digital signal processor
  • An electrical connection of the high-voltage electrode 122 can likewise take place via a connection area 1220, which is formed substantially in the manner of a conductor track, and the connection point 1221, which is electrically conductively connected to the first terminal 132a of the voltage source 130.
  • Components in a left in Figure 5 area of the particle sensor 100b done. As can be seen from FIG. 5, an electrical contacting of the particle sensor 100b or of the electrical components which is located on the particle sensor 100b or the electrical components
  • Basic body 1 10 are arranged, by means of only three supply terminals 1221,
  • Basic body 1 10 is removed.
  • a structuring of the electrode tip for example by a
  • FIG. 6 schematically shows a plan view of a particle sensor 100c according to a fourth embodiment.
  • the main body 1 10 is formed as a substantially planar ceramic substrate element, and on its first surface 1 10a are in turn the high voltage electrode 122, a
  • Counter electrode 124 and a sensor electrode 140 applied, for example by means of screen printing, in particular platinum screen printing.
  • a region 1240 'of the counter-electrode 124 surrounds the
  • High voltage electrode 122 annular, whereby leakage currents, in particular to the sensor electrode 140 are minimized, whereby the signal to noise ratio can be increased in the measurement.
  • High-voltage electrode 122 is according to further embodiments also in at least one of the above with reference to Figure 1, FIG
  • Protective electrode 145 is provided which surrounds the sensor electrode 140 at least partially, but preferably completely and substantially annularly.
  • This first protection electrode 145 may also be referred to as a "guard ring electrode” and also serves to improve the SNR of the
  • Particle sensors 100c it is also possible to provide a second protection electrode 145 ', which in FIG.
  • the counter electrode 124 at least partially, but preferably completely and substantially annular, surrounds.
  • Fig. 7A schematically shows a plan view of a particle sensor 10Od according to a fifth embodiment
  • Fig. 7B shows a cross section along line B-B of Fig. 7A.
  • the elements 1 10,122,124,140 substantially correspond to those described above with reference to FIG.
  • Embodiment In contrast to the configuration according to FIG. 6, however, provision is made in the configuration according to FIG. 7A for a first part 1242a of the counterelectrode 124, in particular directly, to be arranged on the first surface 110a, at least a second part 1242b of the counterelectrode 124 at least in regions protrudes from the first surface 1 10a.
  • a tip of the high voltage electrode 122 to be in the
  • the needle electrode 122 “may be arranged substantially perpendicular to the first surface 110a or integrated into it.
  • a corona discharge 123, cf. FIG. 7B can be ignited against the region 1242b of the counterelectrode.
  • the counterelectrode 124 compare FIG. 7A, can be connected to the ground potential via a resistance element 134 (FIG. 2), so that the trap electrode region of FIG
  • Counter-electrode 124 for example with a particle sensor 100th
  • Carrier substrate exist.
  • the carrier substrate may comprise, for example, zirconium or aluminum oxide and serves as a carrier for the various
  • Components of the particle sensor which are preferably all arranged together on the first surface 1 10a, resulting in a particularly efficient and cost-effective production.
  • the conductive patterns 122, 124, 140, 1220, 1240, 1440 may be efficiently deposited on the first surface 11a by known manufacturing technologies, for example, using screen printing techniques.
  • High voltage electrode 122 or a portion of the high voltage electrode 122 and the needle electrode 122 may be formed, for example, of platinum or tungsten or a material containing at least one of these metals and, for example by means of a screen-printed platinum paste by sintering on the substrate or the base body 1 10a mechanically fixed and at the same time electrically conductive with this or arranged thereon
  • FIG. 8 schematically shows a plan view of a particle sensor according to a further embodiment 100e, in particular on one of its first surface 110a (FIG. 1) opposite second surface 110b, which is, for example, a "bottom" of the particle sensor 100e.
  • an electric heater 160 is provided, which preferably meander-shaped heating conductors 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 100e, in particular particulate deposits, in particular
  • the heater 160 may also be configured to increase a temperature of the particle sensor at least temporarily over a predetermined target temperature, in particular in a range between about 650 ° C to about 700 ° C, to selectively burn off deposits, especially soot deposits.
  • FIG. 9 shows schematically a simplified flowchart of a
  • Embodiment of the method according to the invention comprises: providing 200 of the main body 110 (FIG. 1), arranging 202 (FIG. 9) the high voltage electrode 122 on the first surface 110a of the main body
  • the particle sensor 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e according to the invention preferably has a planar ceramic substrate, which forms the base body 110, and on the surface 110a of which are various components of the particle sensor, such as electrodes and
  • the particle sensor according to the invention can be arranged particularly simply in a protective tube or protective tube arrangement R1, R2, cf. FIG. 3, 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. 3 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 or even a plurality of sensor electrodes (not shown) possible, and variants are also possible without sensor electrode, in which preferably the "escaping currenf measuring principle is used to determine a concentration of charged particles.
  • Design of the particle sensor further allows cost-effective production and storage and a small-sized configuration for a corresponding target system Z (Fig. 3).
  • 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).
  • 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
  • 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. Furthermore, the measuring principle used according to the invention advantageously allows comparatively high update rates ("update").
  • Rates ie comparatively many measurements per second. This advantageously allows a correlation of the measurement signal obtained in this case, for example, with other operating variables, such as operating variables of a

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Abstract

Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) mit einem Grundkörper (110), einer Partikelaufladeeinrichtung (120) zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche (110a) des Grundkörpers (110) strömenden Fluidstrom (A1), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) eine Hochspannungselektrode (122) zur Erzeugung einer Korona-Entladung (123) aufweist und eine Gegenelektrode (124), wobei die Gegenelektrode (124) dazu ausgebildet und angeordnet ist, geladene Teilchen des Fluidstroms (A1) abzulenken.

Description

Beschreibung
Titel
Partikelsensor und Herstellungsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor mit einem Grundkörper und einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche des Grundkörpers strömenden Fluidstrom, wobei die
Partikelaufladeeinrichtung eine im Bereich der ersten Oberfläche angeordnete
Hochspannungselektrode zur Erzeugung einer Korona-Entladung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner 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 Partikelsensor weist einen Grundkörper und eine Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem über eine erste Oberfläche des
Grundkörpers strömenden Fluidstrom auf, wobei die Partikelaufladeeinrichtung eine im Bereich der ersten Oberfläche angeordnete Hochspannungselektrode zur Erzeugung einer Korona-Entladung aufweist. Weiter ist eine Gegenelektrode zu der Hochspannungselektrode vorgesehen, wobei die Gegenelektrode dazu ausgebildet und angeordnet ist, geladene Teilchen des Fluidstroms abzulenken. 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 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. Erfindungsgemäß erfüllt die Gegenelektrode vorteilhaft eine Doppelfunktion.
Erstens bildet sie die elektrische Gegenelektrode zu der
Hochspannungselektrode und trägt damit zur Erzeugung der Koronaentladung bei. Zweitens bildet die Gegenelektrode gleichzeitig eine sog. Trap-Elektrode, die es ermöglicht, mittels der Koronaentladung aufgeladene Teilchen des
Fluidstroms abzulenken. Hierfür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Gegenelektrode so ausgebildet und in Bezug auf die Hochspannungselektrode angeordnet ist, dass sie auch die Funktion der Trap-Elektrode erfüllen kann. Die erfindungsgemäße Gegenelektrode kann daher auch als kombinierte„Trap- und Korona-Gegenelektrode" bezeichnet werden und ermöglicht eine besonders effiziente Fertigung des Partikelsensors sowie einen insgesamt kostengünstigen
Aufbau. Vorteilhaft ist bei manchen Ausführungsformen nur ein elektrischer Anschluss zur Kontaktierung der Gegenelektrode erforderlich, wohingegen bei konventionellen Systemen mit Gegenelektrode und separater Trap-Elektrode zwei verschiedene elektrische Anschlüsse für diese Elektroden erforderlich sind.
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 eine Außenoberfläche des Grundkörpers.
Die erfindungsgemäß in dem Partikelsensor bereitstellbare 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 Gas- bzw. Abgasstroms geladen, wobei der Gasbzw. 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 vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Hochspannungselektrode zumindest teilweise, insbesondere direkt, auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet ist, wobei die Gegenelektrode zumindest teilweise, insbesondere direkt, auf der ersten Oberfläche des
Grundkörpers angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform ergibt sich eine besonders klein bauende Konfiguration, wenn die Hochspannungselektrode und die Gegenelektrode, insbesondere vollständig, auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sind.
Unter einer bei manchen Ausführungsformen vorsehbaren„direkten" Anordnung der betreffenden Elektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers wird vorliegend verstanden, dass die betreffende Elektrode einen im Wesentlichen flächigen Kontaktbereich mit der ersten Oberfläche aufweist bzw. diese erste Oberfläche kontaktierend bedeckt, beispielsweise im Sinne einer Beschichtung.
Gemäß weiteren Ausführungsformen sind auch andere Anordnungen der betreffenden Elektrode(n) auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers denkbar, bei denen die betreffende Elektrode beispielsweise im Bereich der ersten Oberfläche angeordnet ist, nicht jedoch direkt hierauf.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Spannungsquelle zur Versorgung, also elektrischen Energieversorgung, der
Partikelaufladeeinrichtung vorgesehen ist, wobei ein erster Anschluss der Spannungsquelle elektrisch leitend mit der Hochspannungselektrode verbunden ist, und wobei die Gegenelektrode elektrisch leitend über ein
Widerstandselement mit einem zweiten Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist. Durch die Vorsehung des Widerstandselements, bei dem es sich bevorzugten Ausführungsformen zufolge um ein im Wesentlichen rein resistives Widerstandselement handeln kann, ergeben sich vorteilhaft Freiheitsgrade bezüglich eines Betriebs des Partikelsensors. So kann beispielsweise durch die Auswahl des Widerstandswerts des Widerstandselements und der weiteren Betriebsparameter (z.B. elektrische Spannung, die von der Spannungsquelle abgegeben wird) das elektrische Potenzial der Gegenelektrode beeinflusst werden. Da diese den Ausführungsformen zufolge gleichzeitig die Funktion der Trap-Elektrode übernimmt, kann somit auch das elektrische Potenzial der Trap- Elektrode beeinflusst werden, insbesondere unabhängig von einem Betrieb der Koronaentladung, was vorteilhaft ist für die Funktionalität des Partikelsensors.
Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt ein Widerstandswert des
Widerstandselements zwischen etwa 10 Megaohm und etwa 2 Gigaohm, bevorzugt zwischen etwa 200 Megaohm und etwa 600 Megaohm.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein erster Teil der Gegenelektrode direkt auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, und wenigstens ein zweiter Teil der Gegenelektrode ragt zumindest bereichsweise von der ersten Oberfläche ab. Zum Beispiel ist bei manchen Ausführungsformen die
Gegenelektrode zumindest in einem ersten Bereich bzw. Teil der
Gegenelektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, was eine einfache elektrische Kontaktierung der Gegenelektrode zum Beispiel durch auf der ersten Oberfläche angeordnete Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen ermöglicht. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein von dem ersten Bereich bzw. Teil verschiedener zweiter Bereich bzw. Teil 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 weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Sensorelektrode zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom vorgesehen, der durch Partikel aus dem Fluidstrom verursacht wird, die mittels der
Partikelaufladeeinrichtung aufgeladen wurden, wobei die mindestens eine Sensorelektrode auf der ersten Oberfläche angeordnet ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die
Partikelaufladeeinrichtung bzw. ihre Hochspannungselektrode und
Gegenelektrode und die optionale Sensorelektrode entlang einer Längsachse des Grundkörpers auf der ersten Oberfläche desselben angeordnet,
insbesondere hintereinander bzw. entlang einer Strömungsrichtung des
Fluidstroms bzw. Abgasstroms. Dadurch kann die Partikelaufladeeinrichtung, beispielsweise mittels der Korona-Entladung, Partikel bzw. Teilchen des
Abgasstroms aufladen, die sodann durch die vorherrschende Gasströmung in weiter stromabwärts liegende Bereiche transportiert werden, entlang denen sich beispielsweise ein Teil der Gegenelektrode erstrecken kann, der die
Funktionalität der Trap-Elektrode bereitstellt. Dort können vergleichsweise leichte
(massearme) geladene Teilchen, welche nicht an den zu messenden Partikeln haften, wie beispielsweise Ionen des Abgasstroms, mittels der als Trap-Elektrode arbeitenden Teile („Trap-Elektroden-Bereich") der Gegenelektrode
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 den Trap-Elektroden-Bereich der
Gegenelektrode hinaus, beispielsweise zu der Sensorelektrode, wo sie beispielsweise mittels Ladungsinfluenz an der Sensorelektrode in an sich bekannter Weise detektiert werden können. 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, 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 der Trap-Elektroden-Bereich der Gegenelektrode 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 Ausführungsform ist wenigstens eine erste Schutzelektrode vorgesehen, die die mindestens eine Sensorelektrode zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt.
Beispielsweise ist die Sensorelektrode vollständig auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen kann dann die erste
Schutzelektrode ebenfalls im wesentlichen eben ausgebildet sein und bevorzugt die gesamte Sensorelektrode ringförmig umgeben. Die erste Schutzelektrode, die auch als„Guard-Elektrode" bezeichnet werden kann, dient dazu, die
Empfindlichkeit des Partikelsensors steigern. Insbesondere kann durch die Vorsehung wenigstens der einen ersten Schutzelektrode ein Signal-zu-Rausch
Verhältnis (SNR, signal-to-noise ratio) bei der Auswertung eines mittels der Sensorelektrode erhaltbaren Sensorsignals reduziert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Bereich der Gegenelektrode die Hochspannungselektrode zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt. Dadurch können Leckströme z.B. in Richtung einer gegebenenfalls vorhandenen Sensorelektrode minimiert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine zweite
Schutzelektrode vorgesehen ist, die wenigstens eine andere Elektrode (beispielsweise die Gegenelektrode bzw. wenigstens einen Trap-Elektroden- Bereich der Gegenelektrode und/oder die gegebenenfalls vorhandene erste Schutzelektrode) des Partikelsensors zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt.
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 bzw. laminare 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 13 angegeben. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen des Grundkörpers, Anordnen der Hochspannungselektrode auf der ersten Oberfläche des Grundkörpers, zumindest teilweises Anordnen der Gegenelektrode auf der ersten Oberfläche, insbesondere so relativ zu der
Hochspannungselektrode, dass sie geladene Teilchen des Fluidstroms ablenken kann. Besonders bevorzugt können bei manchen Ausführungsformen
Siebdruckverfahren, insbesondere Platin-Siebdruck, verwendet werden, um die Partikelaufladeeinrichtung bzw. Komponenten hiervon und den Trap-Elektroden- Bereich 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 schematisch eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
Figur 3 und 4 schematisch jeweils die Anordnung eines Partikelsensors in einem
Zielsystem,
Figur 5 schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer dritten Ausführungsform,
Figur 6 schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer vierten Ausführungsform,
Figur 7A schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer fünften Ausführungsform,
Figur 7B schematisch eine Frontansicht im Querschnitt des Partikelsensors aus Figur 7A gemäß Linie B-B, Figur 8 schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
Figur 9 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 ist im Bereich 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 angeordnet. Besonders bevorzugt ist vorliegend die Partikelaufladeeinrichtung 120 direkt auf der ersten Oberfläche 1 10a 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 eine Hochspannungselektrode 122 auf, die zur
Erzeugung einer Korona-Entladung 123 vorgesehen ist. Hierzu kann die
Hochspannungselektrode 122 beispielsweise an eine nicht in Figur 1 gezeigte Hochspannungsquelle angeschlossen sein. Ferner verfügt die
Partikelaufladeeinrichtung 120 über eine Gegenelektrode 124, die vorliegend vollständig bzw. vollflächig auf der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers
1 10 angeordnet ist, wodurch sich eine einfache Kontaktierung mittels auf der ersten Oberfläche 1 10a vorsehbarer Leiterbahnen (nicht in Figur 1 abgebildet) und insgesamt eine klein bauende Konfiguration ergibt. Die gestrichelte Elllipse in Fig. 1 deutet einen Bereich erhöhter lonenkonzentration an.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode 124 dazu
ausgebildet und angeordnet ist, geladene Teilchen des Fluidstroms A1 abzulenken. Hierzu weist die Gegenelektrode 124 neben einem ersten Bereich 124a, der primär als elektrische Gegenelektrode zu der Hochspannungselektrode 122 wirkt, einen zweiten Bereich 124b auf, der erfindungsgemäß die Funktion einer Trap-Elektrode realisiert und daher auch als Trap-Elektroden-Bereich bezeichnet wird. Der Trap-Elektroden-Bereich 124b der Gegenelektrode 124 ist zum Ablenken geladener Teilchen der Fluidströmung A1 vorgesehen, die beispielsweise mittels der Partikelaufladeeinrichtung 120 weiter stromaufwärts bezüglich der Fluidströmung A1 erzeugt worden sind. Besonders vorteilhaft können durch den Trap-Elektroden-Bereich 124b geladene Teilchen,
insbesondere Ionen, aus der Fluidströmung A1 abgelenkt bzw.„eingefangen" werden, sodass diese nicht zu der weiter stromabwärts angeordneten, optionalen Sensorelektrode 140 gelangen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Gegenelektrode 124 mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, das sich von dem
Hochspannungspotenzial unterscheidet, mit dem die Hochspannungselektrode 122 beaufschlagbar ist. Bei der in Figur 1 abgebildeten Konfiguration erstreckt sich der Grundkörper 1 10 mit seiner Länge L zwischen den Koordinaten xO, x6 der in Figur 1 horizontalen x-Achse. Die Hochspannungselektrode 122 ist etwa im Bereich der Koordinate x1 >x0 angeordnet, und die Gegenelektrode etwa zwischen den
Koordinatenwerten x2, x3, wobei x2>x1 und x3>x2.
Die optionale Sensorelektrode erstreckt sich etwa zwischen den
Koordinatenwerten x4, x5, mit x4>x3, x5>x4. Sie 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 (also beispielsweise etwa im Bereich der Koordinate x2) 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 den Trap-Elektroden-Bereich 124b der Gegenelektrode 124 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, 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 der Trap-Elektroden-
Bereich 124b fängt 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 den Trap-Elektroden-Bereich 124b optional ein elektrisch leitfähiges Element (nicht gezeigt), beispielsweise ein Blech, vorgesehen sein, welches gemäß Figur 1 beispielsweise 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 den Trap- Elektroden-Bereich 124b dienen.
Figur 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Partikelsensors. Der Partikelsensor 100a weist eine Spannungsquelle 130 zur Versorgung, also elektrischen Energieversorgung, der Partikelaufladeeinrichtung 120 auf, wobei ein erster Anschluss 132a der
Spannungsquelle 130 elektrisch leitend mit der Hochspannungselektrode 122 verbunden ist, und wobei die Gegenelektrode 124 elektrisch leitend über ein Widerstandselement 134 mit einem zweiten Anschluss 132b der
Spannungsquelle 130 verbunden ist. Beispielsweise kann die Spannungsquelle 130 dazu ausgebildet sein, eine erste Spannung U1 („Hochspannung" zur Erzeugung der Koronaentladung 123), die bei manchen Ausführungsformen beispielsweise im Bereich von einigen Kilovolt (kV) liegen kann, zu erzeugen bzw. bereitzustellen.
Durch die Vorsehung des Widerstandselements 134, bei dem es sich
bevorzugten Ausführungsformen zufolge um ein im Wesentlichen rein resistives Widerstandselement handeln kann, ergeben sich vorteilhaft Freiheitsgrade bezüglich eines Betriebs des Partikelsensors 100a. So kann beispielsweise durch die Auswahl des Widerstandswerts des Widerstandselements 134 und der weiteren Betriebsparameter wie beispielsweise der die Spannungsquelle 130 bereitgestellten elektrischen Spannung das elektrische Potenzial der
Gegenelektrode 124 beeinflusst werden. Da diese den Ausführungsformen zufolge gleichzeitig die Funktion einer Trap-Elektrode übernimmt, vergleiche den Trap-Elektroden-Bereich 124b (Fig. 1 ), kann somit auch das elektrische Potenzial der Trap-Elektrode bzw. des Trap-Elektroden-Bereichs 124b beeinflusst werden, insbesondere unabhängig von einem Betrieb der Koronaentladung 123, was vorteilhaft ist für die Funktionalität des Partikelsensors 100a.
Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt ein Widerstandswert des
Widerstandselements 134 zwischen etwa 10 Megaohm und etwa 2 Gigaohm, bevorzugt zwischen etwa 200 Megaohm und etwa 600 Megaohm.
An den Anschlüssen 134a, 134b des Widerstandselements 134 fällt im Betrieb des Partikelsensors 100a eine elektrische Spannung U2 ab, die unter anderem abhängig ist von einem Koronastrom im Bereich der Koronaentladung 123, der beispielsweise von der Hochspannungselektrode 122 zu dem Trap-Elektroden- Bereich 124b fließt. Bevorzugt ist der zweite Anschluss 132b der
Spannungsquelle 130 bzw. der zweite Anschluss 134b des Widerstandselements 134 mit einem Bezugspotenzial, beispielsweise dem Massepotenzial GND, verbunden. Bei manchen Ausführungsformen kann eine benötigte Spannung zwischen der Hochspannungselektrode 122 und dem Trap-Elektroden-Bereich 124b durch eine geeignete Wahl der Geometrie des Partikelsensors bzw. seiner
Komponenten und dem gewünschten Koronastrom bestimmt werden, also beispielsweise durch den Arbeitspunkt der Koronaentladung (typischerweise
Strom mit Stromstärken im Bereich einiger Mikroampere (μΑ), bei einigen Kilovolt (kV) Spannung, was einer Impedanz im Gigaohm-Bereich entspricht). Bei manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Spannungsquelle 130 zusätzlich zu der eigentlichen Koronaspannung auch die Spannung U2 des Trap-Elektroden-Bereichs liefert, die beispielsweise einige 100 V betragen kann.
Ebenfalls abgebildet in Figur 2 ist ein optional vorhandenes Blech B, das als Gegenelektrode für den Trap-Elektroden-Bereich 124b (Fig. 1 ) nutzbar ist. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist es beispielsweise über der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers 100 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen kann z.B. ein den Partikelsensor 100 umgebendes Schutzrohr (nicht in Figur 2 gezeigt) die Funktion des Blechs B übernehmen. Bei einer Ausführungsform kann das Blech B beispielsweise mit einem elektrischen Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial verbunden werden.
Figur 3 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 3 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 den Trap-Elektroden-Bereich 124b (und/oder für die Hochspannungselektrode 122), vergleiche Figur 1 , verwendbar sind, und damit beispielsweise die Funktion des vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebenen Blechs B übernimmt.
Der Blockpfeil P5 symbolisiert in Figur 3 eine optionale Frischgasversorgung, insbesondere Frischluftversorgung, die in manchen Ausführungsformen erwünscht sein kann, bei besonders bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht vorgesehen ist.
Figur 4 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 sind unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 6, 7A, 7B, 8 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelsensors beschrieben.
Figur 5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor 100b gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Grundkörper 1 10 ist als im Wesentlichen planares keramisches Substratelement ausgebildet, und auf seiner ersten Oberfläche 1 10a sind die Hochspannungselektrode 122, eine Gegenelektrode 124 sowie eine Sensorelektrode 140 aufgebracht, beispielsweise mittels
Siebdruckverfahren, insbesondere Platin-Siebdruckverfahren. Die Hochspannungselektrode 122 weist an ihrem in Figur 5 rechten Endabschnitt
122' eine Spitze auf, an welcher die Koronaentladung 123 gezündet werden kann. Die Gegenelektrode 124 weist wiederum einen ersten Bereich 124a auf, der im wesentlichen als elektrische Gegenelektrode zu der
Hochspannungselektrode 122 wirkt, sowie einen Trap-Elektroden-Bereich 124b. Die Gegenelektrode 124 ist wie schematisch in Figur 2 dargestellt und bereits vorstehend beschrieben über einen Widerstandselement 134 mit dem
Bezugspotenzial, vorliegend Massepotenzial GND, verbunden, mit dem auch der zweite Anschluss 132b der Spannungsquelle 130 verbunden ist. Insbesondere weist die Gegenelektrode 124 einen Anschlussbereich 1240 auf, der
beispielsweise nach Art einer Leiterbahn ausgebildet sein kann und sich über einen vergleichsweise großen Längsabschnitt des Grundkörpers 1 10 in Figur 5 in horizontaler Richtung erstrecken kann, um eine einfache elektrische
Kontaktierung der Gegenelektrode 124 in einem in Figur 5 linken Bereich, vergleiche den Anschlusspunkt 1241 , zu ermöglichen. Durch die vorstehend beschriebene Konfiguration wird die Gegenelektrode 124 auf ein elektrisches
Potenzial zwischen dem Massepotenzial GND und dem
Hochspannungspotenzial von dem ersten Anschluss 132a der Spannungsquelle 130 gelegt. Die an der Korona-Spitze im Bereich 122' freigesetzten Ionen laden bei einer
Ausführungsform die sich im Abgas befindenden Rußpartikel elektrisch auf. Die überschüssigen Ionen werden dann durch das elektrische Feld zwischen einer beispielsweise mit dem Massepotenzial GND beaufschlagten Schutzrohrwand (vergleiche Figur 3 bzw. Blech B aus Figur 2) und dem Trap-Elektroden-Bereich 124b der Gegenelektrode 124 entfernt. Die geladenen Rußpartikel erzeugen dann eine Ladung auf der Sensorelektrode 140, welche verstärkt und ausgelesen wird. Hierzu kann beispielsweise ein Vorverstärker 141 vorgesehen sein, dessen Eingang 141 a elektrisch mit der Sensorelektrode 140 verbunden ist. Dies kann beispielsweise über einen wiederum im wesentlichen leiterbahnenartig ausgebildeten Anschlussbereich 1440 und beispielsweise einen elektrischen
Anschlusspunkt 1441 realisiert sein. Ein Ausgangssignal des Vorverstärkers 141 kann beispielsweise einer optionalen Signalverarbeitungseinrichtung 142 zugeleitet werden, die beispielsweise einen digitalen Signalprozessor (DSP) aufweisen kann. Ein elektrischer Anschluss der Hochspannungselektrode 122 kann ebenfalls über einen im wesentlichen leiterbahnenartig ausgebildeten Anschlussbereich 1220 und den Anschlusspunkt 1221 erfolgen, der elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 132a der Spannungsquelle 130 verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlussbereiche 1220, 1240,
1440 im wesentlichen entlang einer Längsrichtung des Grundkörpers 1 10, also bei der Abbildung gemäß Figur 5 im wesentlichen horizontal, insbesondere etwa parallel zueinander, angeordnet, wodurch sich eine platzsparende Konfiguration und eine effiziente Kontaktierung der verschiedenen, an unterschiedlichen Längskoordinaten des Grundkörpers 1 10 angeordneten Elektroden ergibt. Auf diese Weise kann beispielsweise die elektrische Kontaktierung externer
Komponenten in einem in Figur 5 linken Bereich des Partikelsensors 100b erfolgen. Wie aus Figur 5 ersichtlich, ist eine elektrische Kontaktierung des Partikelsensors 100b bzw. der elektrischen Komponenten, die auf dem
Grundkörper 1 10 angeordnet sind, mittels nur dreier Zuleitungsanschlüsse 1221 ,
1241 , 1441 möglich.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorstellbar, die in dem Bereich 122' angeordnete im wesentlichen planare Nadelelektrode zumindest bereichsweise freizustellen bzw. zu untergraben, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass direkt unter dem Bereich der Spitze befindliches Material des
Grundkörpers 1 10 entfernt wird. Bei weiteren Ausführungsform ist auch eine Strukturierung der Elektrodenspitze, beispielsweise durch eine
Laserstrukturierung, denkbar und vorteilhaft.
Figur 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor 100c gemäß einer vierten Ausführungsform. Der Grundkörper 1 10 ist als im Wesentlichen planares keramisches Substratelement ausgebildet, und auf seiner ersten Oberfläche 1 10a sind wiederum die Hochspannungselektrode 122, eine
Gegenelektrode 124 sowie eine Sensorelektrode 140 aufgebracht, beispielsweise mittels Siebdruckverfahren, insbesondere Platin- Siebdruckverfahren.
Vorliegend umgibt ein Bereich 1240' der Gegenelektrode 124 die
Hochspannungselektrode 122 ringförmig, wodurch Leckströme insbesondere zu der Sensorelektrode 140 minimiert werden, wodurch sich das Signal zu Rausch Verhältnis bei der Messung steigern lässt. Eine derartige ringförmige Anordnung wenigstens eines Bereichs 1240' der Gegenelektrode 124 um die
Hochspannungselektrode 122 herum ist weiteren Ausführungsformen zufolge auch bei wenigstens einer der vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 , Figur
2, Figur 5 beschriebenen Konfigurationen 100, 100a, 100b möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ferner eine erste
Schutzelektrode 145 vorgesehen, die die Sensorelektrode 140 zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt. Diese erste Schutzelektrode 145 kann auch als„Guard-Ringselektrode" bezeichnet werden und dient ebenfalls der Verbesserung des SNR des
Partikelsensors 100c. Optional kann auch eine zweite Schutzelektrode 145' vorgesehen sein, die in Fig.
5 nur schematisch angedeutet ist und wenigstens eine andere Elektrode des Partikelsensors 100c, vorliegend die Gegenelektrode 124, zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt.
Dadurch können unerwünschte Leckströme noch besser unterdrückt und das SNR weiter gesteigert werden.
Figur 7A zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor 10Od gemäß einer fünften Ausführungsform, und Figur 7B zeigt einen Querschnitt gemäß Linie B-B aus Fig. 7A. Die Elemente 1 10,122,124,140 entsprechen im Wesentlichen denen der vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 6 beschriebenen
Ausführungsform. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 6 ist bei der Konfiguration gemäß Figur 7A jedoch vorgesehen, dass ein erster Teil 1242a der Gegenelektrode 124, insbesondere direkt, auf der ersten Oberfläche 1 10a angeordnet ist, wobei wenigstens ein zweiter Teil 1242b der Gegenelektrode 124 zumindest bereichsweise von der ersten Oberfläche 1 10a abragt. Dies ermöglicht vorteilhaft, eine Spitze der Hochspannungselektrode 122 als im wesentlichen senkrecht von der ersten Oberfläche 1 10a abragende bzw. hieraus heraus stehende Nadelelektrode 122" auszubilden. Beispielsweise kann die Nadelelektrode 122" im Wesentlichen senkrecht auf der ersten Oberfläche 1 10a angeordnet bzw. in diese integriert sein. Hierdurch kann eine Koronaentladung 123, vergleiche Figur 7B, gegen den Bereich 1242b der Gegenelektrode gezündet werden.
Wie bereits unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben kann die Gegenelektrode 124, vergleiche Figur 7A, über einen Widerstandselement 134 (Figur 2) mit dem Massepotenzial verbunden sein, sodass der Trap-Elektroden-Bereich der
Gegenelektrode 124 beispielsweise mit einer den Partikelsensor 100
umgebenden Schutzrohrwand (nicht gezeigt) ein elektrisches Feld ausbilden und damit überschüssige Ionen aus dem Fluidstrom absaugen kann. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann der Grundkörper 1 10 des
erfindungsgemäßen Partikelsensors vorteilhaft aus einem keramischen
Trägersubstrat bestehen. Das Trägersubstrat kann beispielsweise Zirkon- oder Aluminiumoxid aufweisen und dient als Träger für die verschiedenen
Komponenten des Partikelsensors, die bevorzugt 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 122, 124, 140, 1220, 1240, 1440 (Fig. 7A) 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.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die
Hochspannungselektrode 122 bzw. ein Teil der Hochspannungselektrode 122 bzw. die Nadelelektrode 122" beispielsweise aus Platin oder Wolfram oder einem wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Werkstoff gebildet sein und beispielsweise mittels einer Siebdruck-Platin-Paste durch Sintern an dem Substrat bzw. dem Grundkörper 1 10a mechanisch befestigt und gleichzeitig elektrisch leitfähig mit diesem bzw. einer darauf angeordneten
Leiterbahnenstruktur 1220 verbunden werden. Alternativ sind auch andere Verbindungsverfahren für die Komponenten 122 und ihre Nadelelektrode 122" denkbar. Dasselbe gilt für die anderen Elektroden bzw. Leiterbahnen. Figur 8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Partikelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform 100e, 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 100e 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 100e 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 160 auch dazu ausgebildet sein, eine Temperatur des Partikelsensors 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.
Figur 9 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen 200 des Grundkörpers 1 10 (Fig. 1 ), Anordnen 202 (Fig. 9) der Hochspannungselektrode 122 auf der ersten Oberfläche 1 10a des Grundkörpers
1 10, zumindest teilweises Anordnen 204 (Fig. 9) der Gegenelektrode 124 auf der ersten Oberfläche 1 10a, insbesondere so relativ zu der Hochspannungselektrode 122, dass sie geladene Teilchen des Fluidstroms A1 (Fig. 1 ) ablenken kann, also beispielsweise stromabwärts der Hochspannungselektrode 122 bezüglich des Fluidstroms A1. Die vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 1000 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, 100e 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 3, 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 oder auch mehreren Sensorelektroden (nicht gezeigt) möglich, und es sind ebenfalls Varianten ohne Sensorelektrode möglich, bei denen bevorzugt das„escaping currenf-Messprinzip zur Ermittlung einer Konzentration von geladenen Partikeln genutzt wird. Der bevorzugt planare
Aufbau des Partikelsensors ermöglicht des Weiteren eine kostengünstige Fertigung und Lagerung sowie eine klein bauende Konfiguration für ein entsprechendes Zielsystem Z (Fig. 3). 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 122", 1242b. Die
Verwendung der kombinierten Trap- und Gegenelektrode ist ferner besonders vorteilhaft für den Betrieb und spart einen elektrischen Anschluss ein. 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; 10Oe) 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 ), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) eine im Bereich der ersten Oberfläche (1 10a) angeordnete
Hochspannungselektrode (122) zur Erzeugung einer Korona-Entladung (123) aufweist und eine Gegenelektrode (124), wobei die Gegenelektrode (124) dazu ausgebildet und angeordnet ist, geladene Teilchen des
Fluidstroms (A1 ) abzulenken.
2. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe) nach Anspruch 1 , wobei die Hochspannungselektrode (122) zumindest teilweise, insbesondere direkt, auf der ersten Oberfläche (1 10a) des Grundkörpers (1 10) angeordnet ist und wobei die Gegenelektrode (124) zumindest teilweise, insbesondere direkt, auf der ersten Oberfläche (1 10a) des Grundkörpers (1 10) angeordnet ist.
3. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Spannungsquelle (130) zur
Versorgung der Partikelaufladeeinrichtung (120) vorgesehen ist, wobei ein erster Anschluss (132a) der Spannungsquelle (130) mit der
Hochspannungselektrode (122) verbunden ist, und wobei die
Gegenelektrode (124) über ein Widerstandselement (134) mit einem zweiten Anschluss (132b) der Spannungsquelle (130) verbunden ist.
4. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe) nach Anspruch 3, wobei ein Widerstandswert des Widerstandselements (134) zwischen etwa 10 Megaohm und etwa 2 Gigaohm beträgt, bevorzugt zwischen etwa 200 Megaohm und etwa 600 Megaohm.
5. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erster Teil (1242a) der
Gegenelektrode (124) direkt auf der ersten Oberfläche (1 10a) angeordnet ist, und wobei wenigstens ein zweiter Teil (1242b) der Gegenelektrode (124) zumindest bereichsweise von der ersten Oberfläche (1 10a) abragt.
6. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens 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) auf der ersten Oberfläche (1 10a) angeordnet ist
Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hochspannungselektrode (122) und die Gegenelektrode (124), und insbesondere auch eine bzw. die optional vorhandene Sensoreleketrode (140), im Wesentlichen hintereinander entlang einer Längsachse (L) des Grundkörpers (1 10) bzw. einer
Strömungsrichtung des Fluidstroms (A1 ) angeordnet sind.
Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche (1 10a) eine Außenoberfläche des Grundkörpers (1 10) ist. 9. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei eine erste Schutzelektrode (145) vorgesehen ist, die die mindestens eine Sensorelektrode (140) zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt. 10. Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei ein Bereich (1240') der Gegenelektrode (124) die Hochspannungselektrode (122) zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt. 1 1 . Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe) nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei eine zweite Schutzelektrode (145') vorgesehen ist, die wenigstens eine andere Elektrode (122, 124, 140, 145) des Partikelsensors (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig und im wesentlichen ringförmig, umgibt.
12. Sensoreinrichtung (1000) aufweisend eine Schutzrohranordnung aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren (R1 , R2) und wenigstens einen Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine
Partikelsensor (100; 100a; 100b; 100c; 100d; 100e) 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.
13. Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors (100; 100a; 100b; 100c;
100d; 100e) 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 ), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (120) eine Hochspannungselektrode (122) zur Erzeugung einer Korona-Entladung (123) aufweist und eine Gegenelektrode (124), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (200) des Grundkörpers (1 10), Anordnen (202) der Hochspannungselektrode (122) auf der ersten Oberfläche (1 10a) des Grundkörpers (1 10), zumindest teilweises Anordnen (204) der Gegenelektrode (124) auf der ersten
Oberfläche (1 10a), insbesondere so relativ zu der Hochspannungselektrode (122), dass sie geladene Teilchen des Fluidstroms (A1 ) ablenken kann.
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