EP4007903A1 - Sensor element for sensing particles of a measurement gas in a measurement gas chamber - Google Patents

Sensor element for sensing particles of a measurement gas in a measurement gas chamber

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Publication number
EP4007903A1
EP4007903A1 EP20737184.0A EP20737184A EP4007903A1 EP 4007903 A1 EP4007903 A1 EP 4007903A1 EP 20737184 A EP20737184 A EP 20737184A EP 4007903 A1 EP4007903 A1 EP 4007903A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
sensor element
temperature
substrate
operating
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.)
Pending
Application number
EP20737184.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens EBEL
Enno Baars
Carolin Maria Schilling
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 EP4007903A1 publication Critical patent/EP4007903A1/en
Pending 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
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/05—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a particulate sensor

Definitions

  • the measurement gas can be exhaust gas from an internal combustion engine.
  • the particles can be soot or dust particles. The invention is described below, without further restricting it
  • Two or more metallic electrodes can be attached to an electrically insulating or insulated substrate.
  • Sensor element electrically conductive bridges between the electrodes, for example designed as a comb-like interdigitated interdigital electrodes, and thereby short-circuit them.
  • the electrodes are usually burned free with the aid of an integrated heating element.
  • the particle sensors evaluate the electrical properties of an electrode structure that have changed due to the accumulation of particles. For example, a decreasing resistance or an increasing current can be measured with a constant applied voltage.
  • Embodiments such as from DE 10 2005 053 120 A1, DE 103 19 664 A1, DE10 2004 0468 82 A1, DE 10 2006 042 362 A1, DE 103 53 860 A1, DE 101 49 333 A1 and WO 2003/006976 A2 are known.
  • the sensor elements designed as soot sensors are usually used to monitor diesel particle filters.
  • the particle sensors of the type described are usually accommodated in a protective tube, which simultaneously, for example, the flow of the
  • Particle sensor allowed with the exhaust gas.
  • the present invention is based on the inventors' new knowledge that the dynamics of the accumulation of particles on and between the electrodes is not only given by the electrical voltage applied between the electrodes, but also essentially by disturbances in the electrical field formed in the vicinity of the sensor element is influenced. As a rule, the accuracy and the reproducibility of the detection of particles are reduced by these effects.
  • the source of such electrical fields can be electrical charges in the sensor element, in particular ions which have a comparatively low mobility in the substrate of the sensor element during a measurement phase. For example, it can happen that ions of a first polarity have high mobility in the substrate of the sensor element and that ions of a second polarity opposite to the first polarity have low mobility in the substrate of the
  • the sensor element furthermore has at least one material which is electrically conductive at least at high temperature and which at least at high temperature contains both electrically positively charged free charge carriers and electrically negatively charged free charge carriers
  • the material is arranged on the substrate and wherein the material electrically connects the first electrode and the second electrode at least at high temperature, it can be avoided that ions of a certain polarity are present in excess in the substrate of the sensor element during a measurement phase of the sensor element and the resulting electrical interference fields adversely affect the accumulation of particles on the electrodes.
  • the material according to the invention makes it possible in particular to achieve that excess ions in the substrate, because they are not very mobile, are electrically neutralized by the charge carriers that are freely mobile in the material from the perspective of the particles to be detected. In total, these particles are then only exposed to the electrical field that results from the geometry and potential of the electrodes. The result is an exact and reproducible detection of the particles.
  • the sensor element is particularly advantageous to operate it in such a way that the sensor element is heated to a burn-off temperature and an electrical voltage is applied at least temporarily between the first electrode and the second electrode (Regeneration phase) and (not necessarily immediately) then the sensor element cools to a temperature below the burn-off temperature and the same electrical voltage is applied between the first electrode and the second electrode as in the first operating phase and the particles are based on a current or a Ohmic resistance between the first electrode and the second electrode representing variable can be detected (Measurement phase).
  • the sensor element is optionally initially heated to a burn-off temperature (regeneration phase) and immediately thereafter or later or also completely independently of the
  • Regeneration phase the sensor element cools to a temperature below the burn-off temperature but above 400 ° C or has this temperature and an electrical voltage is applied at least temporarily between the first electrode and the second electrode (thermalization phase) and (not necessarily immediately) then the sensor element a temperature below 400 ° C cools or has this temperature and wherein the same electrical voltage is applied between the first electrode and the second electrode as at least temporarily during the thermalization phase and wherein the particles based on a current or an ohmic resistance between the first electrode and the second electrode representing variable are detected (measurement phase).
  • the material is applied as a layer on the substrate (for example using thick-film technology) and the first electrode and the second electrode are arranged on the material.
  • material can be saved if it is only applied between the first electrode and the second electrode on the substrate and the electrodes themselves are likewise arranged on the substrate.
  • the substrate is electrically insulating or electrically insulated from the first electrode and from the second electrode and from the material is, for example consists of aluminum oxide or is insulated with aluminum oxide.
  • the material is a thermally conductive material, i.e. in particular a material that is electrically conductive only at a high temperature, this helps to avoid shunts during the measurement phase (below the burn-off temperature).
  • it can be a material that consists of one or more of the following substances or has one or more of the following substances: iron-doped aluminum oxide, chromium-doped aluminum oxide, zinc-doped aluminum oxide, calcium-doped aluminum oxide, vanadium-doped aluminum oxide Magnesium-doped aluminum oxide, phosphorus-doped aluminum oxide, copper-doped aluminum oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol%; Calcium-doped zirconium oxide, yttrium-doped zirconium oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol% and a maximum doping of 2 mol%; AIFe03.
  • the material has an ohmic resistance of 300 I W (kilohms) to 30 MW at a temperature between 500 ° C. and 1000 ° C. between the first electrode and the second electrode
  • a greater ohmic resistance forms, for example at least 30MW.
  • the voltage applied to the electrodes is a positive voltage, that is to say in particular that the potential one of the two electrodes is higher than the potential of the other electrode and / or that the potential of at least one electrode is higher than the potential of the surroundings of the sensor element, for example a protective tube of the sensor device or the exhaust pipe in which the sensor element is arranged. If the particles are negatively charged, they then preferentially attach to the electrodes. Positively charged particles, on the other hand, preferentially attach to the electrode with the lower potential.
  • the proposed method can advantageously be further developed by detecting a variable representing a current or an ohmic resistance between the first electrode and the second electrode during the first operating phase (above the burn-off temperature) and checking the integrity of the first electrode and the second electrode and the leads is closed when the current exceeds a threshold value or the ohmic
  • Resistance falls below a threshold value; and / or the non-integrity of the first electrode or the second electrode or the supply lines is inferred if the current falls below a threshold value or the ohmic resistance exceeds a threshold value.
  • Figure 1 comprises a sensor device according to the invention
  • Figure 2 shows another embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows the profile of the temperature of the sensor element and the voltage applied between the electrodes of the sensor element during the method according to the invention
  • Figure 4 shows a sensor element after implementation of the invention
  • Sensor device 110 comprising a sensor element 112 for detecting particles of a measurement gas in a measurement gas space and a controller 114 are shown.
  • the sensor element 112 comprises at least one first electrode 116 and at least one second electrode 118.
  • the first electrode 116 has a plurality of first electrode fingers 120
  • the second electrode 118 has a plurality of second electrode fingers 122.
  • Electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 intermesh in a comb-like manner. Furthermore, the sensor element 112 comprises at least one layer of at least one material 124. The first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 are each applied at least partially to the layer of the material 124.
  • the material 124 can be activatable.
  • an ion conductivity of the material 124 in an operating temperature range of the sensor element 112 can be lower than in a regeneration temperature range of the sensor element 112.
  • operating temperatures of the operating temperature range can be lower than the regeneration temperatures of the
  • Operating temperature range can be from 80 ° C to 500 ° C, and the regeneration temperature range can be from 550 ° C to 900 ° C.
  • the closest second electrode finger 122 can have a value of 5 pm to 200 pm.
  • Electrode finger 122 can be bridged by the particles at the operating temperature by electrically conductive particle bridges.
  • a bridge current flowing across the particle bridges when an operating voltage is applied to the first electrode 116 and the second electrode 118 at the operating temperature can be at least one order of magnitude greater than that in the absence of the particle bridges at the same operating temperature and when the same operating voltage is applied to the first electrode 116 and layer current flowing over the layer of material 124 through the second electrode 118.
  • the material 124 may comprise at least one electrolyte selected from the group consisting of: an oxygen ion conductor; one
  • the solid electrolyte 126 can comprise at least one material selected from the group consisting of: calcium oxide-doped zirconium oxide; Calcium titanium doped zirconium oxide; Yttrium-doped zirconia; Lanthanum-doped alumina; Calcium doped alumina; an alloy comprising lanthanum and
  • Strontium oxide in particular an alloy of lanthanum and strontium oxide; an alloy comprising calcium-doped gadolinium oxide, in particular an alloy of calcium-doped gadolinium oxide.
  • Other materials are also conceivable, for example doped tungsten oxide. Also other materials, in particular zirconium oxide doped differently or doped differently
  • the layer of material 124 can have a thickness D F of 1 ⁇ m to 1 mm.
  • the material 124 is a thermally conductive material 124, in particular consists of one or more of the following substances or has one or more of the following substances: iron-doped aluminum oxide, chromium-doped aluminum oxide, zinc-doped aluminum oxide, calcium -doped aluminum oxide, vanadium-doped aluminum oxide,
  • the layer of the material 124 can be in direct contact with the first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 in each case at least partially.
  • the first electrode fingers 120 can each be in contact with the measurement gas via at least one first electrode finger surface 128 and the second electrode fingers 122 each via at least one second electrode finger surface 130.
  • the first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 may comprise platinum 132.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 112 in a cross-sectional view.
  • the sensor element 112 can comprise at least one substrate 134.
  • the layer of material 124 may be applied to substrate 134.
  • the substrate 134 can include at least one insulating material. In particular, it can comprise at least one ceramic material.
  • the sensor element 112 comprises at least one first electrode 116 and at least one second electrode 118.
  • the first electrode 116 comprises a plurality of first electrode fingers 120
  • the second electrode 118 comprises a plurality of second electrode fingers 122.
  • Electrode fingers 120 and second electrode fingers 122 intermesh in a comb-like manner, as can be seen in FIGS. 1 and 2.
  • the first electrode fingers 120 can have a thickness Di from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, preferably from 2 ⁇ m to 20 ⁇ m and particularly preferably from 5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the second electrode fingers 122 can have a thickness D2 from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, preferably from 2 ⁇ m to 20 ⁇ m and particularly preferably from 5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • Electrode fingers 122 be the same.
  • the sensor element 112 can have at least one heating device, not shown in the figures, for heating the sensor element 112.
  • the heating device can be controlled by the controller 114.
  • the controller 114 is set up, for example, to operate the sensor element 112 in, for example, three operating phases, see FIG. 3.
  • Sensor element 112 heated to a temperature T of, for example, 200 ° C. (dashed line in FIG. 3).
  • the electrodes 116, 118 of the sensor element 112 are, for example, both at ground potential, so that a voltage U of 0V is present between them (solid line in FIG. 3).
  • sensor element 112 is heated to a burn-off temperature, for example 750 ° C., and an electrical voltage U, for example 46 volts, is applied between first electrode 116 and second electrode 118.
  • a burn-off temperature for example 750 ° C.
  • an electrical voltage U for example 46 volts
  • Operating phase Pi lasts for example 20-40 s.
  • the sensor element is cooled to a temperature below the burn-off temperature, for example to 250 ° C., and the same electrical voltage U is applied between the first electrode 116 and the second electrode 118 as in the first operating phase Pi (46 V in the example) and the particles are based on one a current or an ohmic resistance between the first
  • the second operating phase P2 lasts, for example, until a
  • the electrical voltage U is applied between the electrodes 116, 118 during the entire regeneration phase including a heating phase, or that the electrical voltage U is applied between the electrodes 116, 118 or even during a part of the regeneration phase only during a cooling phase adjacent in time to the regeneration phase, for example a thermalization phase. It is also possible that instead of the
  • Regeneration phase only a thermalization phase is carried out in which the sensor temperature is at least 400 ° C. and in which the electrical voltage U is applied as described.
  • FIG. 4 shows a sensor element 112 according to the invention following the second operating phase P2.
  • straight soot bridges 200 with a low degree of branching are formed between the first electrode 116 and the second electrode 118.
  • Soot bridges 200 have formed between the electrodes 116, 118 along the electrical field lines during the measurement phase. A comparatively high electrical conductivity has arisen from a comparatively small amount of soot. The sensor element 112 therefore has a high

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Abstract

The invention relates to a sensor element (112) for sensing particles of a measurement gas in a measurement gas chamber. The sensor element (112) comprises: at least one substrate (134); and at least one first electrode (116) and at least one second electrode (118), which mesh with each other in a comb-like manner. The sensor element (112) also has at least one material (124) which is electrically conductive at least at high temperature, said material having both electrically positively charged free charge carriers and electrically negatively charged free charge carriers at least at high temperature (T). The material (124) is arranged on the substrate (134), and the material (124) electrically connects the first electrode (116) and the second electrode (118) at least at high temperature (T).

Description

Beschreibung description
Titel title
Sensorelement zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Sensor element for detecting particles of a measurement gas in one
Messgasraum Sample gas space
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer A large number of sensor elements for detecting particles of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. For example, the measurement gas can be exhaust gas from an internal combustion engine. In particular, the particles can be soot or dust particles. The invention is described below, without further restricting it
Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Detektion von Rußpartikeln beschrieben. Embodiments and applications, described in particular with reference to sensor elements for the detection of soot particles.
Zwei oder mehrere metallische Elektroden können auf einem elektrisch isolierenden oder isolierten Substrat angebracht sein. Die sich unter Einwirkung einer zwischen den Elektroden anliegenden Spannung anlagernden Teilchen, insbesondere die Rußpartikel, bilden in einer sammelnden Phase des Two or more metallic electrodes can be attached to an electrically insulating or insulated substrate. The particles which accumulate under the action of a voltage applied between the electrodes, in particular the soot particles, form in a collecting phase of the
Sensorelements elektrisch leitfähige Brücken zwischen den beispielsweise als kammartig ineinandergreifende Interdigitalelektroden ausgestalteten Elektroden und schließen diese dadurch kurz. In einer regenerierenden Phase werden die Elektroden üblicherweise mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. In der Regel werten die Partikelsensoren die aufgrund der Partikelanlagerung geänderten elektrischen Eigenschaften einer Elektrodenstruktur aus. Es kann beispielsweise ein abnehmender Widerstand oder ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung gemessen werden. Sensor element electrically conductive bridges between the electrodes, for example designed as a comb-like interdigitated interdigital electrodes, and thereby short-circuit them. In a regenerating phase, the electrodes are usually burned free with the aid of an integrated heating element. As a rule, the particle sensors evaluate the electrical properties of an electrode structure that have changed due to the accumulation of particles. For example, a decreasing resistance or an increasing current can be measured with a constant applied voltage.
Nach diesem Prinzip arbeitende Sensorelemente werden im Allgemeinen als resistive Sensoren bezeichnet und existieren in einer Vielzahl von Sensor elements working according to this principle are generally referred to as resistive sensors and exist in a large number of
Ausführungsformen, wie z.B. aus DE 10 2005 053 120 Al, DE 103 19 664 Al, DE10 2004 0468 82 Al, DE 10 2006 042 362 Al, DE 103 53 860 Al, DE 101 49 333 Al und WO 2003/006976 A2 bekannt. Die als Rußsensoren ausgestalteten Sensorelemente werden üblicherweise zur Überwachung von Diesel- Partikelfiltern eingesetzt. Im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sind die Partikelsensoren der beschriebenen Art in der Regel in ein Schutzrohr aufgenommen, das gleichzeitig beispielsweise die Durchströmung des Embodiments, such as from DE 10 2005 053 120 A1, DE 103 19 664 A1, DE10 2004 0468 82 A1, DE 10 2006 042 362 A1, DE 103 53 860 A1, DE 101 49 333 A1 and WO 2003/006976 A2 are known. The sensor elements designed as soot sensors are usually used to monitor diesel particle filters. In the exhaust tract of an internal combustion engine, the particle sensors of the type described are usually accommodated in a protective tube, which simultaneously, for example, the flow of the
Partikelsensors mit dem Abgas erlaubt. Particle sensor allowed with the exhaust gas.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zur Erfassung von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Despite the advantages of the sensor elements known from the prior art for detecting particles, they still have room for improvement.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis der Erfinder, dass die Dynamik der Anlagerung von Partikeln an und zwischen den Elektroden nicht allein durch die zwischen den Elektroden anliegende elektrische Spannung gegeben ist, sondern wesentlich auch durch Störungen des in der Umgebung des Sensorelements ausgebildeten elektrischen Feldes beeinflusst ist. In der Regel sind die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Erfassung von Partikeln durch diese Effekte herabgesetzt. The present invention is based on the inventors' new knowledge that the dynamics of the accumulation of particles on and between the electrodes is not only given by the electrical voltage applied between the electrodes, but also essentially by disturbances in the electrical field formed in the vicinity of the sensor element is influenced. As a rule, the accuracy and the reproducibility of the detection of particles are reduced by these effects.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Quelle derartiger elektrischer Felder elektrische Ladungen in dem Sensorelement sein können, insbesondere Ionen, die während einer Messphase in dem Substrat des Sensorelements eine vergleichsweise geringe Beweglichkeit aufweisen. Beispielsweise kann es dazu kommen, dass Ionen einer ersten Polarität eine hohe Beweglichkeit im Substrat des Sensorelements haben und dass Ionen einer zweiten, der erste Polarität entgegengesetzten Polarität eine geringe Beweglichkeit im Substrat des The inventors have recognized that the source of such electrical fields can be electrical charges in the sensor element, in particular ions which have a comparatively low mobility in the substrate of the sensor element during a measurement phase. For example, it can happen that ions of a first polarity have high mobility in the substrate of the sensor element and that ions of a second polarity opposite to the first polarity have low mobility in the substrate of the
Sensorelements haben. Wirkt nun die zwischen den Elektroden anliegende Spannung während der Messphase mittels des resultierenden elektrischen Feldes auch auf das Substrat, verschieben sich die Ionen in dem Substrat, allerdings verschieben sich die Ionen der ersten Polarität aufgrund ihrer höheren Beweglichkeit weit stärker als die Ionen der zweiten Polarität. Die mit den Ionen der zweiten Polarität verknüpfte Ladungsmenge wird nun selbst zur Quelle elektrischer Felder, die sich im Rahmen der Anlagerung von Partikeln an die Elektroden allerdings als Störfelder herausgestellt haben: Sie vermindern die Korrelation der im Messgas vorhanden Partikelkonzentration zu der sich zwischen den Elektroden ausbildenden elektrischen Leitfähigkeit. Have sensor element. If the voltage applied between the electrodes during the measurement phase also acts on the substrate by means of the resulting electric field, the ions in the substrate shift, but the ions of the first polarity shift much more than the ions of the second polarity due to their greater mobility. The amount of charge associated with the ions of the second polarity now becomes a source of electrical fields itself, which are generated as part of the accumulation of particles on the However, electrodes have shown to be interference fields: They reduce the correlation between the particle concentration present in the measuring gas and the electrical conductivity that develops between the electrodes.
Erfindungsgemäß können die geschilderten Effekte durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vermieden werden. Dadurch, dass das Sensorelement weiterhin mindestens ein zumindest bei hoher Temperatur elektrisch leitfähiges Material aufweist, das zumindest bei hoher Temperatur sowohl elektrisch positiv geladene freie Ladungsträger als auch elektrisch negativ geladene freie According to the invention, the effects described can be avoided by the features of the independent claims. In that the sensor element furthermore has at least one material which is electrically conductive at least at high temperature and which at least at high temperature contains both electrically positively charged free charge carriers and electrically negatively charged free charge carriers
Ladungsträger aufweist, wobei das Material auf dem Substrat angeordnet ist und wobei das Material die erste Elektrode und die zweite Elektrode zumindest bei hoher Temperatur elektrisch verbindet, kann vermieden werden, dass während einer Messphase des Sensorelementes im Substrat des Sensorelements Ionen einer bestimmten Polarität im Übermaß vorhanden sind und durch die daraus resultierenden elektrischen Störfelder die Anlagerung von Partikeln an den Elektroden nachteilhaft beeinflussen. Having charge carriers, wherein the material is arranged on the substrate and wherein the material electrically connects the first electrode and the second electrode at least at high temperature, it can be avoided that ions of a certain polarity are present in excess in the substrate of the sensor element during a measurement phase of the sensor element and the resulting electrical interference fields adversely affect the accumulation of particles on the electrodes.
Durch das erfindungsgemäße Material lässt sich insbesondere erreichen, dass überschüssige, weil wenig bewegliche Ionen im Substrat durch die in dem Material frei beweglichen Ladungsträger aus Sicht der nachzuweisenden Partikel elektrisch neutralisiert werden. In Summe sind diese Partikel dann lediglich dem elektrischen Feld ausgesetzt, das aus Geometrie und Potenzial der Elektroden resultiert. Die Folge ist eine genaue und reproduzierbare Erfassbarkeit der Partikel. The material according to the invention makes it possible in particular to achieve that excess ions in the substrate, because they are not very mobile, are electrically neutralized by the charge carriers that are freely mobile in the material from the perspective of the particles to be detected. In total, these particles are then only exposed to the electrical field that results from the geometry and potential of the electrodes. The result is an exact and reproducible detection of the particles.
Um mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement die beschriebenen Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, ist es besonders vorteilhaft, es derart zu betreiben, dass das Sensorelement auf eine Abbrandtemperatur beheizt wird und dabei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird (Regenerationsphase) und (nicht notwendigerweise unmittelbar) anschließend das Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb der Abbrandtemperatur abkühlt und wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode die gleiche elektrische Spannung angelegt wird wie in der ersten Betriebsphase und dabei die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode repräsentierenden Größe erfasst werden (Messphase). In order to fully utilize the described advantages with the sensor element according to the invention, it is particularly advantageous to operate it in such a way that the sensor element is heated to a burn-off temperature and an electrical voltage is applied at least temporarily between the first electrode and the second electrode ( Regeneration phase) and (not necessarily immediately) then the sensor element cools to a temperature below the burn-off temperature and the same electrical voltage is applied between the first electrode and the second electrode as in the first operating phase and the particles are based on a current or a Ohmic resistance between the first electrode and the second electrode representing variable can be detected (Measurement phase).
Alternativ kann auch vorteilhaft sein, dass das Sensorelement fakultativ zunächst auf eine Abbrandtemperatur beheizt wird (Regenerationsphase) und unmittelbar anschließend oder später oder auch ganz unabhängig von der Alternatively, it can also be advantageous that the sensor element is optionally initially heated to a burn-off temperature (regeneration phase) and immediately thereafter or later or also completely independently of the
Regenerationsphase das Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb der Abbrandtemperatur aber oberhalb 400°C abkühlt bzw. diese Temperatur aufweist und dabei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird (Thermalisierungsphase) und (nicht notwendigerweise unmittelbar) anschließend das Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb von 400°C abkühlt bzw. diese Temperatur aufweist und wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode die gleiche elektrische Spannung angelegt wird wie zumindest zeitweise während der Thermalisierungsphase und wobei die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode repräsentierenden Größe erfasst werden (Messphase). Regeneration phase the sensor element cools to a temperature below the burn-off temperature but above 400 ° C or has this temperature and an electrical voltage is applied at least temporarily between the first electrode and the second electrode (thermalization phase) and (not necessarily immediately) then the sensor element a temperature below 400 ° C cools or has this temperature and wherein the same electrical voltage is applied between the first electrode and the second electrode as at least temporarily during the thermalization phase and wherein the particles based on a current or an ohmic resistance between the first electrode and the second electrode representing variable are detected (measurement phase).
Durch die Kombination des Effekts der Beweglichkeit der Ladungsträger in dem Material und mit dem neuartigen Verfahrensmerkmal des Anlegens der By combining the effect of the mobility of the charge carriers in the material and the novel process feature of applying the
Messspannung bereits während der Regeneration (bei Abbrandtemperatur) bzw. während der Thermalisierungsphase bei mindestens 400°C wird erreicht, dass die oben beschriebenen elektrischen Effekte bei Beginn der Messphase Measurement voltage already during the regeneration (at the burn-off temperature) or during the thermalization phase at at least 400 ° C, the electrical effects described above are achieved at the beginning of the measurement phase
(unterhalb der Abbrandtemperatur bzw. unterhalb 400°C) vollständig (below the burning temperature or below 400 ° C) completely
abgeschlossen sind. Are completed.
Es ist fertigungstechnisch einfach und robust, wenn das Material als Schicht auf dem Substrat aufgebracht ist (zum Beispiel in Dickschichttechnik) und die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Material angeordnet sind. It is simple and robust in terms of production technology if the material is applied as a layer on the substrate (for example using thick-film technology) and the first electrode and the second electrode are arranged on the material.
Material kann anderseits eingespart werden, wenn es lediglich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode auf dem Substrat aufgebracht ist und die Elektroden ihrerseits ebenfalls auf dem Substrat angeordnet sind. On the other hand, material can be saved if it is only applied between the first electrode and the second electrode on the substrate and the electrodes themselves are likewise arranged on the substrate.
Um die Messung möglichst genau durchführen zu können, ist insbesondere vorgesehen, dass das Substrat elektrisch isolierend ist oder zu der ersten Elektrode und zu der zweite Elektrode und zu dem Material hin elektrisch isoliert ist, beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht bzw. mit Aluminiumoxid isoliert ist. In order to be able to carry out the measurement as precisely as possible, it is provided in particular that the substrate is electrically insulating or electrically insulated from the first electrode and from the second electrode and from the material is, for example consists of aluminum oxide or is insulated with aluminum oxide.
Ist das Material ein heißleitendes Material, also insbesondere ein Material, dass lediglich bei hoher Temperatur nennenswert elektrisch leitet, so hilft dies, Nebenschlüsse während der Messphase (unterhalb der Abbrandtemperatur) zu vermeiden. If the material is a thermally conductive material, i.e. in particular a material that is electrically conductive only at a high temperature, this helps to avoid shunts during the measurement phase (below the burn-off temperature).
Es kann sich beispielsweise um ein Material handeln, dass aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe besteht oder eines oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Eisen-dotiertes Aluminiumoxid, Chrom-dotiertes Aluminiumoxid, Zink-dotiertes Aluminiumoxid, Calcium-dotiertes Aluminiumoxid, Vanadium dotiertes Aluminiumoxid, Magnesium-dotiertes Aluminiumoxid, Phosphor dotiertes Aluminiumoxid, Kupfer-dotiertes Aluminiumoxid, insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol%; Calcium-dotiertes Zirkonoxid, Yttrium dotiertes Zirkonoxid, insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol% und einer Höchstdotierung von 2 Mol%; AIFe03. For example, it can be a material that consists of one or more of the following substances or has one or more of the following substances: iron-doped aluminum oxide, chromium-doped aluminum oxide, zinc-doped aluminum oxide, calcium-doped aluminum oxide, vanadium-doped aluminum oxide Magnesium-doped aluminum oxide, phosphorus-doped aluminum oxide, copper-doped aluminum oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol%; Calcium-doped zirconium oxide, yttrium-doped zirconium oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol% and a maximum doping of 2 mol%; AIFe03.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Material bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen ohmschen Widerstand von 300 I W (Kiloohm) bis 30 MW It can advantageously be provided that the material has an ohmic resistance of 300 I W (kilohms) to 30 MW at a temperature between 500 ° C. and 1000 ° C. between the first electrode and the second electrode
(Megaohm) ausbildet, hingegen bei einer Temperatur zwischen 80°C und 500°C zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen größeren ohmschen Widerstand ausbildet, beispielsweise mindestens 30MW. (Megaohm), on the other hand, at a temperature between 80 ° C and 500 ° C between the first electrode and the second electrode, a greater ohmic resistance forms, for example at least 30MW.
Eine alternative Weiterbildung der Erfindung sieht hingegen vor, dass das Material eine Leitfähigkeit aufweist, die kaum temperaturabhängig ist (z.B. An alternative development of the invention, however, provides that the material has a conductivity that is hardly temperature-dependent (e.g.
weniger als 1%/K bei 20°C) und/oder bei einer Temperatur zwischen 80°C und 500°C einen ohmschen Widerstand von 300 kW (Kiloohm) bis 30 MW (Megaohm) aufweist. Das hat den Vorteil, dass es zur tatsächlichen Erzielung der less than 1% / K at 20 ° C) and / or at a temperature between 80 ° C and 500 ° C has an ohmic resistance of 300 kW (kiloohm) to 30 MW (megaohm). This has the advantage that it is actually used to achieve the
vorteilhaften elektrischen Effekte nicht mehr notwendigerweise der Erwärmung des Sensorelements auf eine hohe Temperatur vor der eigentlichen Messphase bedarf. Dabei in der Messphase auftretende Nebenschlüsse können rechnerisch kompensiert werden. advantageous electrical effects no longer necessarily requires the heating of the sensor element to a high temperature before the actual measurement phase. Any shunts occurring during the measurement phase can be compensated for by calculation.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die an den Elektroden anliegende Spannung eine positive Spannung ist, d.h. insbesondere, dass das Potenzial einer der beiden Elektroden höher ist als das Potential der anderen Elektrode und/oder dass das Potential mindestens einer Elektrode höher ist als das Potential der Umgebung des Sensorelements, beispielsweise eines Schutzrohrs der Sensoreinrichtung oder der Abgasleitung in der das Sensorelement angeordnet ist. Sind die Partikel negativ geladen, lagern sie sich dann bevorzugt an den Elektroden an. Positiv geladene Partikel lagern sich hingegen bevorzugt an der Elektrode mit dem niedrigeren Potential an. It can be provided in particular that the voltage applied to the electrodes is a positive voltage, that is to say in particular that the potential one of the two electrodes is higher than the potential of the other electrode and / or that the potential of at least one electrode is higher than the potential of the surroundings of the sensor element, for example a protective tube of the sensor device or the exhaust pipe in which the sensor element is arranged. If the particles are negatively charged, they then preferentially attach to the electrodes. Positively charged particles, on the other hand, preferentially attach to the electrode with the lower potential.
Das vorgeschlagene Verfahren kann vorteilhaft weitergebildet werden, indem während der ersten Betriebsphase (oberhalb Abbrandtemperatur) eine einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode repräsentierende Größe erfasst wird und auf die Integrität der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und der Zuleitungen geschlossen wird, wenn der Strom einen Schwellwert überschreitet oder der ohmsche The proposed method can advantageously be further developed by detecting a variable representing a current or an ohmic resistance between the first electrode and the second electrode during the first operating phase (above the burn-off temperature) and checking the integrity of the first electrode and the second electrode and the leads is closed when the current exceeds a threshold value or the ohmic
Widerstand einen Schwellwert unterschreitet; und/oder auf die Nicht- Integrität der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode oder der Zuleitungen geschlossen wird, wenn der Strom einen Schwellwert unterschreitet oder der ohmsche Widerstand einen Schwellwert überschreitet. Resistance falls below a threshold value; and / or the non-integrity of the first electrode or the second electrode or the supply lines is inferred if the current falls below a threshold value or the ohmic resistance exceeds a threshold value.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den Further details and optional features of the invention are set out in FIGS
Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind. Exemplary embodiments shown, which are shown schematically in the following drawings.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfassend ein Figure 1 comprises a sensor device according to the invention
erfindungsgemäßes Sensorelement und eine Steuerung in einer perspektivischen Darstellung; sensor element according to the invention and a controller in a perspective illustration;
Figur 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Figure 2 shows another embodiment of an inventive
Sensorelements in einer Querschnittsansicht; Figur 3 der Verlauf der Temperatur des Sensorelements und der zwischen den Elektroden des Sensorelements angelegten Spannung während des erfindungsgemäßen Verfahrens; Sensor element in a cross-sectional view; FIG. 3 shows the profile of the temperature of the sensor element and the voltage applied between the electrodes of the sensor element during the method according to the invention;
Figur 4 ein Sensorelement nach Durchführung des erfindungsgemäßen Figure 4 shows a sensor element after implementation of the invention
Verfahrens. Procedure.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen In Figure 1 is an embodiment of an inventive
Sensorvorrichtung 110 umfassend ein Sensorelement 112 zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgastraum und eine Steuerung 114 gezeigt. Das Sensorelement 112 umfasst mindestens eine erste Elektrode 116 und mindestens eine zweite Elektrode 118. Hierbei weist die erste Elektrode 116 eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern 120 auf, und die zweite Elektrode 118 weist eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern 122. Die ersten Sensor device 110 comprising a sensor element 112 for detecting particles of a measurement gas in a measurement gas space and a controller 114 are shown. The sensor element 112 comprises at least one first electrode 116 and at least one second electrode 118. Here, the first electrode 116 has a plurality of first electrode fingers 120, and the second electrode 118 has a plurality of second electrode fingers 122. The first
Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 greifen kammartig ineinander. Weiterhin umfasst das Sensorelement 112 mindestens eine Schicht mindestens eines Materials 124. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 sind hierbei jeweils zumindest teilweise auf der Schicht des Material 124 aufgebracht. Electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 intermesh in a comb-like manner. Furthermore, the sensor element 112 comprises at least one layer of at least one material 124. The first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 are each applied at least partially to the layer of the material 124.
Das Material 124 kann aktivierbar sein. Hierbei kann eine lonenleitfähigkeit des Materials 124 in einem Betriebstemperaturbereich des Sensorelements 112 geringer sein als in einem Regenerationstemperaturbereich des Sensorelements 112. Hierbei können Betriebstemperaturen des Betriebstemperaturbereichs niedriger sein als Regenerationstemperaturen des The material 124 can be activatable. Here, an ion conductivity of the material 124 in an operating temperature range of the sensor element 112 can be lower than in a regeneration temperature range of the sensor element 112. Here, operating temperatures of the operating temperature range can be lower than the regeneration temperatures of the
Regenerationstemperaturbereichs. Insbesondere kann der Regeneration temperature range. In particular, the
Betriebstemperaturbereich im Bereich von 80 °C bis 500 °C liegen, und der Regenerationstemperaturbereich kann im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegen. Operating temperature range can be from 80 ° C to 500 ° C, and the regeneration temperature range can be from 550 ° C to 900 ° C.
Ein Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger 120 und einem A distance A between the first electrode finger 120 and a
nächstgelegenen zweiten Elektrodenfinger 122 kann einen Wert von 5 pm bis 200 pm aufweisen. Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Abstand A zwischen dem ersten Elektrodenfinger 120 und dem nächstgelegenen zweiten The closest second electrode finger 122 can have a value of 5 pm to 200 pm. The distance A shown in Figures 1 and 2 between the first electrode finger 120 and the closest second
Elektrodenfinger 122 kann von den Partikeln bei der Betriebstemperatur durch elektrisch leitfähige Partikelbrücken überbrückbar sein. Ein bei Anlegen einer Betriebsspannung an die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 bei der Betriebstemperatur über die Partikelbrücken fließender Brückenstrom kann um mindestens eine Größenordnung größer sein als ein in Abwesenheit von den Partikelbrücken bei derselben Betriebstemperatur und bei Anlegen derselben Betriebsspannung an die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 über die Schicht des Materials 124 fließender Schichtstrom. Electrode finger 122 can be bridged by the particles at the operating temperature by electrically conductive particle bridges. A bridge current flowing across the particle bridges when an operating voltage is applied to the first electrode 116 and the second electrode 118 at the operating temperature can be at least one order of magnitude greater than that in the absence of the particle bridges at the same operating temperature and when the same operating voltage is applied to the first electrode 116 and layer current flowing over the layer of material 124 through the second electrode 118.
Das Material 124 kann mindestens einen Elektrolyten umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Sauerstoffionenleiter; einem The material 124 may comprise at least one electrolyte selected from the group consisting of: an oxygen ion conductor; one
Wasserstoffionenleiter. Weiterhin kann der Festkörperelektrolyt 126 Hydrogen ion conductor. Furthermore, the solid electrolyte 126
Zirkoniumoxid umfassen. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt 126 mindestens ein Material umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Calciumoxid-dotiertem Zirkoniumoxid; Calcium-Titan-dotiertem Zirkoniumoxid; Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid; Lanthan-dotiertem Aluminiumoxid; Calcium dotiertem Aluminiumoxid; einer Legierung umfassend Lanthan- und Include zirconia. In particular, the solid electrolyte 126 can comprise at least one material selected from the group consisting of: calcium oxide-doped zirconium oxide; Calcium titanium doped zirconium oxide; Yttrium-doped zirconia; Lanthanum-doped alumina; Calcium doped alumina; an alloy comprising lanthanum and
Strontiumoxid, insbesondere einer Legierung aus Lanthan- und Strontiumoxid; einer Legierung umfassend Calcium-dotiertes Gadoliniumoxid, insbesondere einer Legierung aus Calcium-dotiertem Gadoliniumoxid. Auch andere Materialien sind denkbar, beispielsweise dotiertes Wolframoxid. Auch weitere Materialien, insbesondere anders dotiertes Zirkoniumoxid oder anders dotiertes Strontium oxide, in particular an alloy of lanthanum and strontium oxide; an alloy comprising calcium-doped gadolinium oxide, in particular an alloy of calcium-doped gadolinium oxide. Other materials are also conceivable, for example doped tungsten oxide. Also other materials, in particular zirconium oxide doped differently or doped differently
Aluminiumoxid, sind möglich. Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, kann die Schicht des Materials 124 eine Dicke DF von 1 pm bis 1 mm aufweisen. Aluminum oxide, are possible. As shown in FIGS. 1 and 2, the layer of material 124 can have a thickness D F of 1 μm to 1 mm.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Material 124 ein heißleitendes Material 124 ist, insbesondere aus einem oder mehreren der folgenden Stoffen besteht oder eines oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Eisen-dotiertes Aluminiumoxid, Chrom-dotiertes Aluminiumoxid, Zink-dotiertes Aluminiumoxid, Calcium-dotiertes Aluminiumoxid, Vanadium-dotiertes Aluminiumoxid, It can also be provided that the material 124 is a thermally conductive material 124, in particular consists of one or more of the following substances or has one or more of the following substances: iron-doped aluminum oxide, chromium-doped aluminum oxide, zinc-doped aluminum oxide, calcium -doped aluminum oxide, vanadium-doped aluminum oxide,
Magnesium-dotiertes Aluminiumoxid, Phosphor-dotiertes Aluminiumoxid, Kupfer dotiertes Aluminiumoxid, insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol%; Calcium-dotiertes Zirkonoxid, Yttrium-dotiertes Zirkonoxid, Calcium- Titan-dotiertes Zirkonoxid insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol% und einer Höchstdotierung von 2 Mol%; AIFe03; und/oder dass das Material bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 einen ohmschen Widerstand von 300 kQ (Kiloohm) bis 30 MW (Megaohm) ausbildet, hingegen bei einer Magnesium-doped aluminum oxide, phosphorus-doped aluminum oxide, copper-doped aluminum oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol%; Calcium-doped zirconium oxide, yttrium-doped zirconium oxide, calcium-titanium-doped zirconium oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol% and a maximum doping of 2 mol%; AIFe03; and / or that that Material at a temperature between 500 ° C. and 1000 ° C. between the first electrode 116 and the second electrode 118 forms an ohmic resistance of 300 kΩ (kilohms) to 30 MW (megaohms), in contrast to one
Temperatur zwischen 80°C und 500°C zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen größeren ohmschen Widerstand ausbildet. Temperature between 80 ° C and 500 ° C between the first electrode and the second electrode forms a greater ohmic resistance.
Die Schicht des Materials 124 kann mit den ersten Elektrodenfingern 120 und den zweiten Elektrodenfingern 122 jeweils zumindest teilweise in direktem Kontakt stehen. Die ersten Elektrodenfinger 120 können jeweils über mindestens eine erste Elektrodenfingeroberfläche 128 und die zweiten Elektrodenfinger 122 können jeweils über mindestens eine zweite Elektrodenfingeroberfläche 130 jeweils zumindest teilweise mit dem Messgas in Kontakt stehen. Die ersten Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 können Platin 132 umfassen. The layer of the material 124 can be in direct contact with the first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 in each case at least partially. The first electrode fingers 120 can each be in contact with the measurement gas via at least one first electrode finger surface 128 and the second electrode fingers 122 each via at least one second electrode finger surface 130. The first electrode fingers 120 and the second electrode fingers 122 may comprise platinum 132.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 112 in einer Querschnittsansicht. Das Sensorelement 112 kann, wie in Figur 2 gezeigt, mindestens ein Substrat 134 umfassen. Die Schicht des Materials 124 kann auf das Substrat 134 aufgebracht sein. Das Substrat 134 kann mindestens ein isolierendes Material umfassen. Insbesondere kann es mindestens ein keramisches Material umfassen. FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 112 in a cross-sectional view. As shown in FIG. 2, the sensor element 112 can comprise at least one substrate 134. The layer of material 124 may be applied to substrate 134. The substrate 134 can include at least one insulating material. In particular, it can comprise at least one ceramic material.
Das Sensorelement 112 umfasst mindestens eine erste Elektrode 116 und mindestens eine zweite Elektrode 118. Die erste Elektrode 116 umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern 120, und die zweite Elektrode 118 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern 122. Die ersten The sensor element 112 comprises at least one first electrode 116 and at least one second electrode 118. The first electrode 116 comprises a plurality of first electrode fingers 120, and the second electrode 118 comprises a plurality of second electrode fingers 122. The first
Elektrodenfinger 120 und die zweiten Elektrodenfinger 122 greifen kammartig ineinander, wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen. Electrode fingers 120 and second electrode fingers 122 intermesh in a comb-like manner, as can be seen in FIGS. 1 and 2.
Wie in Figur 2 gezeigt, können die ersten Elektrodenfinger 120 eine Dicke Di von 1 pm bis 50 pm, vorzugsweise von 2 pm bis 20 pm und besonders bevorzugt von 5 pm bis 10 pm aufweisen. Weiterhin können die zweiten Elektrodenfinger 122 eine Dicke D2 von 1 pm bis 50 pm, vorzugsweise von 2 pm bis 20 pm und besonders bevorzugt von 5 pm bis 10 pm aufweisen. Insbesondere können die Dicke Di der ersten Elektrodenfinger 120 und die Dicke D2 der zweiten As shown in FIG. 2, the first electrode fingers 120 can have a thickness Di from 1 μm to 50 μm, preferably from 2 μm to 20 μm and particularly preferably from 5 μm to 10 μm. Furthermore, the second electrode fingers 122 can have a thickness D2 from 1 μm to 50 μm, preferably from 2 μm to 20 μm and particularly preferably from 5 μm to 10 μm. In particular, the thickness Di of the first electrode fingers 120 and the thickness D2 of the second
Elektrodenfinger 122 gleich sein. Das Sensorelement 112 kann mindestens eine, in den Figuren nicht gezeigte, Heizvorrichtung zur Beheizung des Sensorelements 112 aufweisen. Die Electrode fingers 122 be the same. The sensor element 112 can have at least one heating device, not shown in the figures, for heating the sensor element 112. The
Heizvorrichtung ist in diesem Fall von der Steuerung 114 ansteuerbar. In this case, the heating device can be controlled by the controller 114.
Die Steuerung 114 ist beispielsweise eingerichtet, um das Sensorelement 112 in beispielsweise drei Betriebsphasen zu betreiben, siehe Figur 3. The controller 114 is set up, for example, to operate the sensor element 112 in, for example, three operating phases, see FIG. 3.
In einer vorangehenden Betriebsphase P, (Schutzheizphase) wird das In a preceding operating phase P, (protective heating phase) the
Sensorelement 112 auf eine Temperatur T von beispielsweise 200°C geheizt (gestrichelte Linie in Figur 3). Die Elektroden 116, 118 des Sensorelementes 112 liegen beispielsweise beide auf einem Erdpotenzial, so dass zwischen ihnen eine Spannung U von 0V anliegt (durchgezogene Linie in Figur 3). Sensor element 112 heated to a temperature T of, for example, 200 ° C. (dashed line in FIG. 3). The electrodes 116, 118 of the sensor element 112 are, for example, both at ground potential, so that a voltage U of 0V is present between them (solid line in FIG. 3).
In einer darauffolgenden ersten Betriebsphase Pi (Regenerationsphase) wird das Sensorelement 112 auf eine Abbrandtemperatur beheizt, beispielsweise 750°C und wird zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 eine elektrische Spannung U angelegt, beispielsweise 46 Volt. Die erste In a subsequent first operating phase Pi (regeneration phase), sensor element 112 is heated to a burn-off temperature, for example 750 ° C., and an electrical voltage U, for example 46 volts, is applied between first electrode 116 and second electrode 118. The first
Betriebsphase Pi dauert beispielsweise 20 - 40 s. Operating phase Pi lasts for example 20-40 s.
In einer nachfolgenden zweiten Betriebsphase P2 (Messphase) wird das In a subsequent second operating phase P2 (measurement phase), the
Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb der Abbrandtemperatur abgekühlt, beispielsweise auf 250°C und wird zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 die gleiche elektrische Spannung U angelegt wie in der ersten Betriebsphase Pi (im Beispiel 46 V) und werden die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten The sensor element is cooled to a temperature below the burn-off temperature, for example to 250 ° C., and the same electrical voltage U is applied between the first electrode 116 and the second electrode 118 as in the first operating phase Pi (46 V in the example) and the particles are based on one a current or an ohmic resistance between the first
Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 repräsentierenden Größe erfasst. Die zweite Betriebsphase P2 dauert beispielsweise solange, bis eine Electrode 116 and the second electrode 118 representing size detected. The second operating phase P2 lasts, for example, until a
vorgegebene Stromstärke oder ein vorgegebener Widerstand erreicht wird. predetermined current strength or a predetermined resistance is achieved.
In Varianten kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Spannung U während der gesamten Regenerationsphase einschließlich einer Aufheizphase zwischen den Elektroden 116, 118 angelegt wird oder dass die elektrische Spannung U nur während eines zeitlichen Teils der Regenerationsphase zwischen den Elektroden 116, 118 angelegt wird oder sogar nur während einer an die Regenerationsphase zeitlich angrenzenden Abkühlphase, beispielsweise einer Thermalisierungsphase. Es ist auch möglich, dass statt der In variants, it can be provided that the electrical voltage U is applied between the electrodes 116, 118 during the entire regeneration phase including a heating phase, or that the electrical voltage U is applied between the electrodes 116, 118 or even during a part of the regeneration phase only during a cooling phase adjacent in time to the regeneration phase, for example a thermalization phase. It is also possible that instead of the
Regenerationsphase lediglich eine Thermalisierungsphase durchgeführt wird, in der die Sensortemperatur zumindest 400°C beträgt und in der die elektrische Spannung U wie beschrieben angelegt wird. Regeneration phase only a thermalization phase is carried out in which the sensor temperature is at least 400 ° C. and in which the electrical voltage U is applied as described.
Das Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur 4 dargestellt, die ein erfindungsgemäßes Sensorelement 112 im Anschluss an die zweite Betriebsphase P2 zeigt. Auf der Oberfläche des Sensorelements 112 sind zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 geradlinige Rußbrücken 200 mit geringem Verzweigungsgrad ausgebildet. Diese The result of the method according to the invention is shown in FIG. 4, which shows a sensor element 112 according to the invention following the second operating phase P2. On the surface of the sensor element 112, straight soot bridges 200 with a low degree of branching are formed between the first electrode 116 and the second electrode 118. This
Rußbrücken 200 haben sich während der Messphase entlang der elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden 116, 118 ausgebildet. Dabei ist aus einer vergleichsweise geringen Rußmenge eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit entstanden. Das Sensorelement 112 hat daher eine hohe Soot bridges 200 have formed between the electrodes 116, 118 along the electrical field lines during the measurement phase. A comparatively high electrical conductivity has arisen from a comparatively small amount of soot. The sensor element 112 therefore has a high
Empfindlichkeit. Sensitivity.
Im Betrieb herkömmlicher Sensorelemente 112 entstehen hingegen wegen der elektrischen Störfelder stärker verzweigte Rußpfade zwischen den Elektroden 116, 118. Es bedarf einer höheren Rußmenge, um eine Leitfähigkeit zu bewirken, die mit der obigen vergleichbar ist. Das herkömmliche Sensorelement 112 ist mithin weniger empfindlich als erfindungsgemäße Sensorelement 112. During operation of conventional sensor elements 112, however, more branched soot paths arise between the electrodes 116, 118 because of the electrical interference fields. A higher amount of soot is required in order to bring about a conductivity which is comparable to the above. The conventional sensor element 112 is therefore less sensitive than sensor element 112 according to the invention.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Sensorelement (112) zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum, wobei das Sensorelement (112) mindestens ein Substrat (134) und mindestens eine erste Elektrode (116) und mindestens eine zweite Elektrode (118) umfasst, die kammartig ineinandergreifen, wobei das Sensorelement (112) weiterhin mindestens ein zumindest bei hoher 1. Sensor element (112) for detecting particles of a measurement gas in a measurement gas space, the sensor element (112) comprising at least one substrate (134) and at least one first electrode (116) and at least one second electrode (118) which intermesh like a comb, wherein the sensor element (112) furthermore at least one at least at high
Temperatur elektrisch leitfähiges Material (124) aufweist, das zumindest bei hoher Temperatur sowohl elektrisch positiv geladene freie Ladungsträger als auch elektrisch negativ geladene freie Ladungsträger aufweist, wobei das Material (124) auf dem Substrat (134) angeordnet ist und wobei das Material (124) die erste Elektrode (116) und die zweite Elektrode (118) zumindest bei hoher Temperatur elektrisch verbindet. Temperature has electrically conductive material (124) which, at least at high temperature, has both electrically positively charged free charge carriers and electrically negatively charged free charge carriers, wherein the material (124) is arranged on the substrate (134) and wherein the material (124) electrically connects the first electrode (116) and the second electrode (118) at least at high temperature.
2. Sensorelement (112) nach Anspruch 1, wobei das Material (124) als Schicht auf dem Substrat (134) aufgebracht ist und die erste Elektrode (116) und die zweite Elektrode (118) auf dem Material (124) angeordnet sind. 2. Sensor element (112) according to claim 1, wherein the material (124) is applied as a layer on the substrate (134) and the first electrode (116) and the second electrode (118) are arranged on the material (124).
3. Sensorelement (112) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektrode (116) und die zweite Elektrode (118) auf dem Substrat (134) angeordnet sind und wobei das Material (124) zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) auf dem Substrat (134) aufgebracht ist. 3. Sensor element (112) according to claim 1 or 2, wherein the first electrode (116) and the second electrode (118) are arranged on the substrate (134) and wherein the material (124) between the first electrode (116) and the second electrode (118) is applied to the substrate (134).
4. Sensorelement (112) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektrode (116) und die zweite Elektrode (118) auf dem Substrat (134) angeordnet sind und wobei das Material (124) lediglich zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) auf dem Substrat (134) aufgebracht ist. 4. Sensor element (112) according to claim 1 or 2, wherein the first electrode (116) and the second electrode (118) are arranged on the substrate (134) and wherein the material (124) only between the first electrode (116) and the second electrode (118) is applied to the substrate (134).
5. Sensorelement (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (134) elektrisch isolierend ist oder zu der ersten Elektrode (116) und zu der zweiten Elektrode (118) und zu dem Material (124) hin elektrisch isoliert ist. 5. Sensor element (112) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (134) is electrically insulating or is electrically insulated from the first electrode (116) and from the second electrode (118) and from the material (124).
6. Sensorelement (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material (124) ein heißleitendes Material (124) ist, insbesondere aus einem oder mehreren der folgenden Stoffen besteht oder eines oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist, vorzugsweise überwiegend aufweist (>50Gew-%): Eisen-dotiertes Aluminiumoxid, Chrom-dotiertes Aluminiumoxid, Zink dotiertes Aluminiumoxid, Calcium-dotiertes Aluminiumoxid, Vanadium dotiertes Aluminiumoxid, Magnesium-dotiertes Aluminiumoxid, Phosphor dotiertes Aluminiumoxid, Kupfer-dotiertes Aluminiumoxid, insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol%; Calcium-dotiertes 6. Sensor element (112) according to one of the preceding claims, wherein the material (124) is a thermally conductive material (124), in particular of a or more of the following substances or one or more of the following substances, preferably predominantly (> 50% by weight): iron-doped aluminum oxide, chromium-doped aluminum oxide, zinc-doped aluminum oxide, calcium-doped aluminum oxide, vanadium-doped aluminum oxide, magnesium doped aluminum oxide, phosphorus-doped aluminum oxide, copper-doped aluminum oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol%; Calcium-doped
Zirkonoxid, Yttrium-dotiertes Zirkonoxid, Calcium-Titan-dotiertes Zirkonoxid insbesondere jeweils mit einer Mindestdotierung von 0,1 Mol% und einer Höchstdotierung von 2 Mol%; AIFe03. Zirconium oxide, yttrium-doped zirconium oxide, calcium-titanium-doped zirconium oxide, in particular each with a minimum doping of 0.1 mol% and a maximum doping of 2 mol%; AIFe03.
7. Sensorelement (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material (124) bei einer Temperatur (T) zwischen 500°C und 1000°C zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen ohmschen Widerstand von 300 kQ (Kiloohm) bis 30 MW (Megaohm) ausbildet, hingegen bei einer Temperatur (T) zwischen 80°C und 500°C zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) einen größeren ohmschen Widerstand ausbildet. 7. Sensor element (112) according to one of the preceding claims, wherein the material (124) at a temperature (T) between 500 ° C and 1000 ° C between the first electrode and the second electrode has an ohmic resistance of 300 kΩ (kilohms) to 30 MW (megohms), while at a temperature (T) between 80 ° C. and 500 ° C. between the first electrode (116) and the second electrode (118) a greater ohmic resistance forms.
8. Sensorelement (112) nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei das 8. Sensor element (112) according to any one of claims 1-5, wherein the
Material (124) eine Leitfähigkeit aufweist, die kaum temperaturabhängig ist und/oder bei einer Temperatur (T) zwischen 80°C und 500°C einen ohmschen Widerstand von 300 kQ (Kiloohm) bis 30 MW (Megaohm) aufweist. Material (124) has a conductivity that is hardly temperature-dependent and / or has an ohmic resistance of 300 kΩ (kiloohm) to 30 MW (megaohm) at a temperature (T) between 80 ° C. and 500 ° C.
9. Verfahren zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem 9. Method for detecting particles of a measurement gas in one
Messgasraum, umfassend die folgenden Schritte: Sample gas compartment, comprising the following steps:
- Bereitstellen mindestens eines Sensorelements (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; - Provision of at least one sensor element (112) according to one of the preceding claims;
- Betreiben des Sensorelements (112) in einer ersten Betriebsphase (PI), wobei das Sensorelement (112) auf eine Abbrandtemperatur beheizt wird und zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) eine elektrische Spannung (U) angelegt wird; - Operating the sensor element (112) in a first operating phase (PI), the sensor element (112) being heated to a burn-off temperature and an electrical voltage (U) being applied between the first electrode (116) and the second electrode (118);
- Nachfolgend Betreiben des Sensorelements (112) in einer zweiten Betriebsphase (P2), wobei das Sensorelement (112) auf eine Temperatur (T) unterhalb der Abbrandtemperatur abkühlt und wobei zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) die gleiche elektrische Spannung (U) angelegt wird wie in der ersten Betriebsphase (PI) und wobei die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen - Subsequently operating the sensor element (112) in a second Operating phase (P2), the sensor element (112) cooling to a temperature (T) below the burn-off temperature and the same electrical voltage (U) being applied between the first electrode (116) and the second electrode (118) as in the first Operating phase (PI) and where the particles based on a current or an ohmic
Widerstand zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) repräsentierenden Größe erfasst werden. Resistance between the first electrode (116) and the second electrode (118) representing variable can be detected.
10. Verfahren zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem 10. Method for detecting particles of a measurement gas in one
Messgasraum, umfassend die folgenden Schritte: Sample gas compartment, comprising the following steps:
- Bereitstellen mindestens eines Sensorelements (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; - Provision of at least one sensor element (112) according to one of the preceding claims;
- Fakultativ: Betreiben des Sensorelements (112) in einer ersten - Optional: operating the sensor element (112) in a first
Betriebsphase (PI), wobei das Sensorelement (112) auf eine Operating phase (PI), wherein the sensor element (112) on a
Abbrandtemperatur beheizt wird. Burning temperature is heated.
- Betreiben des Sensorelements (112) in einer Thermalisierungsphase, in der das Sensorelement (112) auf eine Temperatur unterhalb der - Operating the sensor element (112) in a thermalization phase in which the sensor element (112) to a temperature below the
Abbrandtemperatur aber oberhalb 400°C aufweist und während der zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) eine elektrische Spannung (U) angelegt wird; But has a combustion temperature above 400 ° C. and during which an electrical voltage (U) is applied at least temporarily between the first electrode (116) and the second electrode (118);
- Unmittelbar nachfolgend oder später: Betreiben des Sensorelements (112) in einer zweiten Betriebsphase (P2), wobei das Sensorelement (112) eine Temperatur (T) unterhalb von 400°C aufweist und wobei zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) die gleiche elektrische Spannung (U) angelegt wird, wie sie in der Thermalisierungsphase zumindest zeitweise anlag, und wobei die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) repräsentierenden Größe erfasst werden. - Immediately afterwards or later: Operation of the sensor element (112) in a second operating phase (P2), the sensor element (112) having a temperature (T) below 400 ° C. and being between the first electrode (116) and the second electrode (118) the same electrical voltage (U) is applied as it was applied at least temporarily in the thermalization phase, and the particles based on a representing a current or an ohmic resistance between the first electrode (116) and the second electrode (118) Size can be recorded.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei es sich bei der zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) angelegten elektrischen Spannung (U) um eine positive Spannung (U) handelt. 11. The method of claim 9 or 10, wherein the applied between the first electrode (116) and the second electrode (118) electrical voltage (U) is a positive voltage (U).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11, wobei während der ersten 12. The method according to any one of claims 9-11, wherein during the first
Betriebsphase (PI) eine einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) repräsentierenden Größe erfasst wird und auf die Integrität der ersten Elektrode (116) und ihrer Zuleitung und der zweiten Elektrode und ihrer Zuleitung geschlossen wird, wenn der Strom einen Schwellwert überschreitet oder der ohmsche Widerstand einen Schwellwert unterschreitet; und/oder auf die Nicht- Integrität der ersten Elektrode oder ihrer Zuleitung oder der zweiten Elektrode oder ihrer Zuleitung geschlossen wird, wenn der Strom einen Schwellwert unterschreitet oder der ohmsche Widerstand einen Schwellwert überschreitet. Operating phase (PI) a variable representing a current or an ohmic resistance between the first electrode (116) and the second electrode (118) is detected and the integrity of the first electrode (116) and its supply line and the second electrode and its supply line are deduced is when the current exceeds a threshold value or the ohmic resistance falls below a threshold value; and / or the non-integrity of the first electrode or its lead or of the second electrode or its lead is inferred when the current falls below a threshold value or the ohmic resistance exceeds a threshold value.
13. Sensorvorrichtung (110) umfassend ein Sensorelement (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine Steuerung (114) die eingerichtet ist, das 13. Sensor device (110) comprising a sensor element (112) according to one of claims 1 to 8 and a controller (114) which is set up
Sensorelement (112) entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 12 anzusteuern. To control the sensor element (112) according to a method according to any one of claims 9-12.
14. Verfahren zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem 14. Method for the detection of particles of a measurement gas in one
Messgasraum, umfassend die folgenden Schritte: Sample gas compartment, comprising the following steps:
- Bereitstellen mindestens eines Sensorelements (112) nach Anspruch 8; - providing at least one sensor element (112) according to claim 8;
- Betreiben des Sensorelements (112) in einer ersten Betriebsphase (PI), wobei das Sensorelement (112) auf eine Abbrandtemperatur beheizt wird. - Operating the sensor element (112) in a first operating phase (PI), the sensor element (112) being heated to a burn-off temperature.
- Nachfolgend Betreiben des Sensorelements (112) in einer zweiten - Subsequently operating the sensor element (112) in a second
Betriebsphase (P2), wobei das Sensorelement (112) abkühlt und wobei zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) die Spannung (U) angelegt wird, und wobei die Partikel basierend auf einer einen Strom oder einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) repräsentierenden und gemäß dem Operating phase (P2), wherein the sensor element (112) cools and wherein the voltage (U) is applied between the first electrode (116) and the second electrode (118), and wherein the particles are based on a current or an ohmic resistance between the first electrode (116) and the second electrode (118) and according to the
Nebenschluss durch das Material (124) korrigierten Größe erfasst werden. Shunt can be detected by the material (124) corrected size.
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