WO2008025602A1 - Sensor zur resistiven bestimmung von konzentrationen leitfähiger partikel in gasgemischen - Google Patents

Sensor zur resistiven bestimmung von konzentrationen leitfähiger partikel in gasgemischen Download PDF

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WO2008025602A1
WO2008025602A1 PCT/EP2007/057053 EP2007057053W WO2008025602A1 WO 2008025602 A1 WO2008025602 A1 WO 2008025602A1 EP 2007057053 W EP2007057053 W EP 2007057053W WO 2008025602 A1 WO2008025602 A1 WO 2008025602A1
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WO
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sensor
electrodes
conductive particles
sensor according
gas mixture
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Application number
PCT/EP2007/057053
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English (en)
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Inventor
Ulrich Hasenkox
Sabine Roesch
Peter Bartscherer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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 present invention relates to a sensor for the resistive determination of concentrations of conductive particles in gas mixtures according to the preamble of claim 1.
  • soot particulate filters have been used recently. In order to monitor the effectiveness of these filters, often sensors are used, the particle content of the filter passing
  • a resistive particle sensor is often used as the sensor type, which uses the change in resistance of an interdigital electrode structure as a measured variable by the addition of conductive soot particles. Due to its mode of operation, the resistive particle sensor settles with the collecting principles (cf., for example, DE 10149333 A1, WO 2003006976 A2).
  • resistive particle sensors for conductive particles are known, in which two or more metallic electrodes are formed, wherein the adhering particles, in particular soot particles, short-circuit the comb-like interdigitated electrodes and thus with increasing particle concentration on the sensor surface a decreasing resistance (or an increasing resistance) Current at a constant applied voltage) between the electrodes becomes measurable.
  • the measured current or resistance can be correlated with the accumulated soot quantity and thus also with the soot particle concentration prevailing in the exhaust gas.
  • a threshold is usually defined and the time taken until reaching the threshold as a measure of the accumulated soot amount. The faster this threshold is reached, the higher the soot particle concentration in the exhaust gas.
  • the current resistance value of the sensor or the decrease in the resistance value over time can also be utilized as a graduated measure of the soot particle concentration. The more conductive connections are formed between the electrodes, the lower the measured resistance.
  • the sensor element For regeneration of the sensor element after particle accumulation, the sensor element must be burned free. During burnout, the sensor can not detect the amount of soot.
  • the screen printing technique is suitable for the production of the interdigital electrodes of the particle sensor. This has been retained for economic reasons and provides reliable sensors. The problem with sensors produced in this way is that the minimum electrode spacing that can be produced with this technique amounts to 50 ⁇ m. Even finer structures can only be produced with photolithographic methods. However, photolithography requires considerably more process steps than screen printing technology and is therefore out of the question for economic reasons.
  • blind phase Due to the relatively high electrode spacing are therefore relatively large amounts of soot in sensors from the prior art required to reach the above threshold. The respective sensors therefore have a relatively low sensitivity. The period until a conductive connection is established between two electrodes and thus a measurement signal is generated (“blind phase”) is therefore comparatively long.
  • the object of the present invention is therefore to provide a sensor for the resistive determination of concentrations of conductive particles in gas mixtures, which has a higher measuring sensitivity and a shorter reactive phase and is nevertheless inexpensive to manufacture and reliable in operation.
  • a sensor for the resistive determination of concentrations of conductive particles in gas mixtures, comprising a surface exposed to the gas mixture with at least two electrodes which are spaced from each other on the surface, such that the distance between the electrodes through itself on the surface of the sensor depositing conductive particles from the gas mixture can be bridged and in this way a conductive connection between the electrodes of the sensor can be produced, from which a measured variable for the concentration of the conductive particles in the gas mixture can be derived.
  • the sensor is characterized in that at least in the region between the electrodes, a material is arranged, which is selected so that it has conductive portions, the addition of conductive particles from - A -
  • measuring time is the time that elapses until a conductive contact between the two electrodes is produced by the deposited conductive particles, ie the resistance at an applied voltage from infinity to a finite value reduced or a measurable current flows.
  • the material arranged in the region between the electrodes is an electrically conductive material whose composition is selected such that it fades and / or cracks after being applied to the sensor in such a way that a conductive connection between the electrodes possibly caused by the freshly applied material is interrupted by shrinkage or crack formation.
  • This material can be, for example, a conductive lacquer or a conductive paste that is applied, and the after application shrinkage cracks forms, for example by drying or evaporation of a solvent contained in the paint or the paste.
  • a material with suitable conductivity, adhesion and shrinkage properties on the basis of the technical teaching according to the invention. Since the shrinkage cracks occurring during drying are randomly arranged, an average distance to be bridged is established in the region between the electrodes that is far below the distance that the electrodes have from one another. In this way, the amount of soot particles required to produce a conductive connection is reduced and the measuring sensitivity of the sensor increases.
  • the material arranged in the region between the electrodes may be a material comprising electrically conductive particles whose concentration in the material is selected to be below the percolation threshold.
  • This material may be, for example, conductive ceramic or metal particles in an insulating ceramic matrix, such as platinum particles in an alumina matrix. Since the conductive particles in the matrix are randomly arranged, an average distance to be bridged is established in the region between the electrodes that is far below the distance that the electrodes have from one another. Also in this way, the amount of soot particles required to make a conductive connection is reduced, and the measuring sensitivity of the sensor increases.
  • percolation is understood in electrical engineering to mean that conductive fillers in a nonconductive matrix can impart conductivity to the composite of filler and matrix by forming a three-dimensional network. From a certain filler concentration, which as
  • Percolation threshold is called, the formation of such a network leads directly to a reduction in electrical resistance.
  • Such a composite material is e.g. a matrix of insulating ceramic material, e.g. Alumina, with platinum particles embedded therein.
  • the relevant material can be applied to the surface of the sensor already provided with electrodes, thus depositing on the electrodes and in the region between the electrodes.
  • the material can also be applied to the surface of the sensor not yet provided with the electrodes.
  • the electrodes are then printed on the material.
  • the material may be chosen to serve as an adhesive layer between the surface and the electrodes.
  • the material arranged in the region between the electrodes is electrically conductive particles which form dendritic structures between the electrodes.
  • dendritic structures are structures which protrude from the electrodes into the region between the electrodes without establishing a connection (short circuit) between the electrodes.
  • You can e.g. finger-shaped, triangular or branched.
  • the distances between the electrodes are reduced and thus favors the formation of conductive connections between the electrodes.
  • the said electrically conductive particles should have a high thermal stability so that they are not removed during the thermal regeneration of the sensor and / or the soot particle filter.
  • Such a sensor may e.g. be prepared in which the
  • a DC voltage (so-called suction voltage) is applied between the two electrodes, so that the particles accumulate on the surface in the region of the electrodes by electrostatic attraction.
  • suction voltage a DC voltage
  • the dendritic structures are fixed on the surface, e.g. by annealing or forming interactions between the surface and the particles.
  • the particles may be e.g. to act platinum particles or electrically conductive ceramic particles.
  • the electrodes are arranged to one another in the form of interdigital electrodes.
  • the electrodes are in maanderformiger arrangement.
  • the electrodes are applied to the surface of the sensor by means of screen printing technology.
  • suitable methods for applying the electrodes are stencil printing, pad printing, ink jet printing, transfer film. Common to all these methods is that the minimum spacing of the electrodes which can be achieved with one another is not sufficient for a satisfactory improvement in the sensitivity of the sensor, so that the technical teaching of the present invention can be advantageously applied to all sensors produced by one of these methods.
  • the conductive particles to be determined are soot particles.
  • the sensor is preferred a soot particle sensor.
  • the gas mixture is preferably a combustion gas mixture.
  • the sensor is arranged in the exhaust gas flow of a diesel engine.
  • the senor has a heating device for thermal regeneration of the sensor.
  • the soot particles deposited on the sensor surface can be burned off and the conductive connection between the electrodes is interrupted, so that the sensor can be used again.
  • a temperature sensor in the form of a resistance mander
  • many particles in particular soot have a dependent on the temperature electrical conductivity.
  • the senor has at least two sensor sections each having at least two electrodes, wherein the electrodes of the at least two sensor sections each have different distances and / or configurations, the at least two sensor sections are operated with different voltages or the electrodes of the at least two sensor sections have different materials. In this way, different measuring ranges or measuring sensitivities can be achieved at the different sensor sections.
  • a method is also provided for the resistive determination of concentrations of conductive particles in gas mixtures, which is characterized in that a sensor according to the invention as described above is used in this method.
  • Figure 1 is a plan view of a sensor according to the invention.
  • FIG. 2 a cross-sectional view of a first embodiment of a sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a first variant of a second embodiment of a sensor according to the invention in cross-sectional view
  • FIG. 4 shows a second variant of a second embodiment of a sensor according to the invention in cross-sectional view
  • Fig. 5 shows a third embodiment of an inventive sensor in an enlarged view.
  • Fig. 1 shows a sensor 10 according to the invention with the electrodes 11, 12 on a surface 13.
  • the electrodes 11, 12 acts they are so-called interdigital electrodes, which are arranged comb-like interlocking.
  • the sensor is arranged, for example, in the exhaust gas flow of a diesel engine, not shown, so that soot particles are deposited from the exhaust gas flow on the surface of the sensor. When sufficient soot particles have deposited on the surface, the two electrodes are short-circuited and a decreasing resistance (or increasing current at a constant applied voltage) between the electrodes can be measured.
  • Figs. 2a, 2b show a sensor 20 according to the invention in two cross-sectional views of different scales. Shown are the electrodes 21, 22 on a surface 23. In the region between the electrodes 21, 22, an electrically conductive material 24 is arranged, the composition of which is selected so that it forms cracks 25 after application to the sensor, such that a through the freshly applied material is interrupted if necessary lead conductive connection between the electrodes.
  • this material 24 is a conductive lacquer which forms shrinkage cracks 25 after application. Since the shrinkage cracks occurring during drying are randomly arranged, an average distance to be bridged is established in the region between the electrodes that is far below the distance that the electrodes have from one another. In this way, the amount of soot particles 26 required to produce a conductive connection is reduced and the measuring sensitivity of the sensor increases.
  • Figs. 3a, 3b show a first variant of a second embodiment of the inventive sensor 30 in two cross-sectional views of different scales. Shown are the electrodes 31, 32 on a surface 33. In the region between the electrodes 31, 32, a material 34 is arranged, which has electrically conductive particles 35. Their concentration in the material 34 is chosen to be below the percolation threshold. In this way, the amount of soot particles 36 required to produce a conductive connection is reduced and the measuring sensitivity of the sensor increases.
  • the material 34 in the present example is an aluminum oxide insulating matrix with platinum particles 35 embedded therein. Since the conductive particles in the matrix are randomly randomized, an average gap to be bridged is established in the region between the electrodes which is wide is below the distance that the electrodes have to each other.
  • Figs. 4a, 4b show a second variant of a second embodiment of the inventive sensor 40 in two cross-sectional views of different scales. Shown are the electrodes 41, 42 on a surface 43. In the region between the electrodes 41, 42, a material 44 is arranged, the electrically conductive particles 45 has. In contrast to the variant shown in FIG. 3, in this variant the material 44 was applied to the surface of the sensor not yet provided with the electrodes, and the electrodes were then printed on the material. This embodiment has the same advantages as the previously discussed variant. Moreover, can the material 44 may be chosen so that it serves as an adhesive layer between the surface 43 and the electrodes 41, 42.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of an inventive sensor 50 in enlarged plan view.
  • the sensor has the two interdigital electrodes 51, 52, between which dendritic structures 53 are formed, which consist of conductive particles 54 and with the aid of which the distance between the two interdigital electrodes 51, 52 is shortened. Particles, electrodes and electrode spacing are not shown to scale.
  • Such a sensor may e.g. in which the surface of the sensor 50 is exposed to a gas stream containing said electrically conductive particles. These store themselves - similar to the later, to be detected soot particles - on the surface and form the dendritic structures mentioned (see FIG. 5).
  • a DC voltage (so-called suction voltage) is applied between the two electrodes 51, 52, so that the particles 54 accumulate on the surface in the region of the electrodes by electrostatic attraction.
  • suction voltage a DC voltage
  • the particles 54 accumulate on the surface in the region of the electrodes by electrostatic attraction.
  • a proper "growth" of the dendritic structures 53 from the electrodes in the direction of the area between the electrodes can be observed, after which the dendritic structures 53 are fixed on the surface of the sensor 50.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (20) zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfähiger Partikel (26) in Gasgemischen, aufweisend eine dem Gasgemisch ausgesetzte Oberfläche (23) mit mindestens zwei Elektroden (21,22), die beabstandet zueinander auf der Oberfläche angeordnet sind, dergestalt, dass der Abstand zwischen den Elektroden durch sich auf der Oberfläche des Sensors ablagernde leitfähige Partikel aus dem Gasgemisch überbrückbar und auf diese Weise eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden des Sensors herstellbar ist, aus der eine Messgröße für die Konzentration der leitfähigen Partikel in dem Gasgemisch ableitbar ist. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich zwischen den Elektroden ein Material (24) angeordnet ist, das so gewählt ist, dass es leitfähige Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfähiger Partikel aus dem Gasgemisch die Ausbildung einer leitfähigen Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen.

Description

Beschreibung Titel
Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Um den Partikelausstoß eines Dieselmotors zu reduzieren, kommen seit jüngerer Zeit Russpartikelfilter zu Einsatz. Dabei werden, um die Wirksamkeit dieser Filter zu überwachen, häufig Sensoren eingesetzt, die den Partikelgehalt der den Filter passierenden
Abgase messen (On Bord Diagnose, OBD) . Zu diesem Zweck kommt als Sensortyp häufig ein resistiver Partikelsensor zum Einsatz, der als Messgroße die Widerstandsanderung einer interdigitalen Elektrodenstruktur durch Anlagerung von leitfahigen Russpartikeln heranzieht. Aufgrund seiner Funktionsweise ordnet sich der resistive Partikelsensor bei den sammelnden Prinzipien ein (vgl. z.B. DE 10149333 Al, WO 2003006976 A2 ) . Derzeit sind resistive Partikelsensoren für leitfahige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden ausgebildet sind, wobei die sich anlagernden Teilchen, insbesondere Russpartikel, die kammartig ineinander greifenden Elektroden kurzschließen und so mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorflache ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar wird. Der gemessene Strom bzw. Widerstand kann mit der angelagerten Russmenge und damit auch mit der im Abgas vorherrschenden Russpartikelkonzentration korreliert werden. Dabei wird üblicherweise ein Schwellwert definiert und die Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts als Maß für die angelagerte Russmenge genommen. Je schneller dieser Schwellwert erreicht wird, desto hoher ist also die Russpartikelkonzentration im Abgas.
Alternativ kann als graduelles Mass für die Russpartikelkonzentration auch der aktuelle Widerstandswert des Sensors bzw. die Abnahme des Widerstandswertes über die Zeit verwertet werden. Je mehr leitende Verbindungen zwischen den Elektroden ausgebildet sind, desto geringer ist dabei der gemessene Widerstand.
Zur Regeneration des Sensorelementes nach der Partikelanlagerung muss das Sensorelement freigebrannt werden. Wahrend des Freibrennens kann der Sensor die Russmenge nicht erfassen.
Für die Fertigung der Interdigitalelektroden des Partikelsensors bietet sich die Siebdrucktechnik an. Diese hat sich aus Wirtschaftlichkeitsgrunden bewahrt und liefert zuverlässige Sensoren. Problem bei solchermaßen hergestellten Sensoren ist es, dass der minimal mit dieser Technik herstellbare Elektrodenabstand 50 μm betragt. Noch feinere Strukturen lassen sich nur noch mit photolithographischen Methoden herstellen. Die Photolithographie benotigt aber deutlich mehr Prozessschritte als die Siebdrucktechnik und kommt daher aus Wirtschaftlichkeitsgrunden nicht in Frage.
Aufgrund des relativ hohen Elektrodenabstandes sind daher bei Sensoren aus dem Stand der Technik relativ große Russmengen erforderlich, um den oben genannten Schwellwert zu erreichen. Die betreffenden Sensoren haben daher eine relativ geringe Messempfindlichkeit. Der Zeitraum, bis dass eine leitende Verbindung zwischen zwei Elektroden hergestellt und damit ein Messsignal generiert wird („Blindphase") ist daher vergleichsweise lang.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen bereitzustellen, der eine höhere Messempfindlichkeit und eine kürzere Blindphase aufweist und gleichwohl kostengünstig in der Herstellung und zuverlässig im Betrieb ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelost. Die Unteranspruche geben bevorzugte Ausfuhrungsformen an.
Demnach ist ein Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen vorgesehen, aufweisend eine dem Gasgemisch ausgesetzte Oberflache mit mindestens zwei Elektroden, die beabstandet zueinander auf der Oberflache angeordnet sind, dergestalt, dass der Abstand zwischen den Elektroden durch sich auf der Oberflache des Sensors ablagernde leitfahige Partikel aus dem Gasgemisch uberbruckbar und auf diese Weise eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden des Sensors herstellbar ist, aus der eine Messgroße für die Konzentration der leitfahigen Partikel in dem Gasgemisch ableitbar ist. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich zwischen den Elektroden ein Material angeordnet ist, dass so gewählt ist, dass es leitfahige Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfahiger Partikel aus - A -
dem Gasgemisch die Ausbildung einer leitfahigen Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen, und auf diese Weise die Auslosezeit verkurzen bzw. die Ausloseschwelle erniedrigen.
Hierbei ist zu beachten, dass, wie bereits erwähnt, Messgroße die Zeit ist, die vergeht, bis dass durch die angelagerten leitfahigen Partikel ein leitfahiger Kontakt zwischen den beiden Elektroden hergestellt ist, der Widerstand sich bei einer angelegten Spannung also von unendlich auf einen endlichen Wert reduziert bzw. ein messbarer Strom fließt. Das mindestens im Bereich zwischen den Elektroden angeordnete Material, dass so gewählt ist, dass es leitfahige Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfahiger Partikel aus dem Gasgemisch die Ausbildung einer leitfahigen Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen, verringert also die Abstande, die für die Ausbildung einer leitenden Verbindung zwischen den Elektroden leitend überbrückt werden müssen, reduziert somit die Anzahl der erforderlichen leitfahigen Partikel und erhöht so die Messempfindlichkeit des Sensors .
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Sensors ist vorgesehen, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten Material um ein elektrisch leitendes Material handelt, dessen Zusammensetzung so gewählt ist, dass es nach Aufbringung auf den Sensor schwindet und/oder Risse ausbildet, nämlich dergestalt, dass eine durch das frisch aufgebrachte Material ggf. herbeigeführte leitfahige Verbindung zwischen den Elektroden durch das Schwinden bzw. die Rissbildung unterbrochen wird.
Bei diesem Material kann es sich z.B. um einen leitenden Lack oder eine leitende Paste handeln, die aufgetragen wird, und die nach Auftragung Schwindungsrisse ausbildet, z.B. durch Trocknung bzw. Verdampfung eines im Lack bzw. der Paste enthaltenen Losungsmittels. Für den Fachmann ist es aufgrund der erfindungsgemaßen technischen Lehre ein leichtes, ein Material mit geeigneten Leit-, Haftungs- und Schwindungseigenschaften auszuwählen. Da die bei der Trocknung auftretenden Schwindungsrisse statistisch zufallig angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt, den die Elektroden zueinander aufweisen. Auf diese Weise wird die Menge der erforderlichen Russpartikel zur Herstellung einer leitfahigen Verbindung reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt.
Ebenso bevorzugt kann es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten Material um ein Material aufweisend elektrisch leitende Partikel handeln, deren Konzentration in dem Material so gewählt ist, dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle liegt.
Bei diesem Material kann es sich z.B. um leitende Keramik- oder Metallpartikel in einer isolierenden Keramik-Matrix handeln, wie z.B. Platinpartikel in einer Aluminiumoxid-Matrix. Da die leitenden Partikel in der Matrix statistisch zufallig angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt, den die Elektroden zueinander aufweisen. Auch auf diese Weise wird die Menge der erforderlichen Russpartikel zur Herstellung einer leitfahigen Verbindung reduziert, und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt. Unter dem Begriff Perkolation versteht man in der Elektrotechnik, dass leitfahige Füllstoffe in einer nichtleitenden Matrix durch Bildung eines dreidimensionalen Netzwerks dem Verbundwerkstoff aus Füllstoff und Matrix eine Leitfähigkeit verleihen können. Ab einer bestimmten Füllstoffkonzentration, die als
Perkolationsschwelle bezeichnet wird, fuhrt die Bildung eines solchen Netzwerks unmittelbar zu einer Reduktion des elektrischen Widerstands .
Für den Fachmann ist es aufgrund der erfindungsgemaßen technischen Lehre ein leichtes, ein Matrixmaterial mit geeigneten Eigenschaften auszuwählen, und auch die Partikeldichte und -große so zu wählen, dass die Perkolationsschwelle mehr oder weniger stark unterschritten wird, um so die Ausloseempfindlichkeit des Sensors einzustellen.
Als Beispiel für ein solches Verbundmaterial bietet sich z.B. eine Matrix aus einem isolierenden Keramikmaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, mit darin eingebetteten Platinpartikeln an.
Das betreffende Material kann in einer ersten Ausgestaltung auf die bereits mit Elektroden versehene Oberflache des Sensors aufgetragen werden, lagert sich also auf den Elektroden und im Bereich zwischen den Elektroden an.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Material auch auf die noch nicht mit den Elektroden versehene Oberflache des Sensors aufgetragen werden. Die Elektroden werden anschließend auf das Material aufgedruckt. Diese Ausgestaltung weist dieselben Vorteile auf wie die zuvor diskutierte Ausgestaltung. Überdies kann das Material so gewählt sein, dass es als Haftschicht zwischen der Oberflache und den Elektroden dient. In einer weiteren Ausgestaltung dieser erfindungsgemaßen Idee ist vorgesehen, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten Material um elektrisch leitende Partikel handelt, die dendritische Strukturen zwischen den Elektroden ausbilden.
Bei diesen dendritischen Strukturen handelt es sich um Strukturen, die von den Elektroden aus in den Bereich zwischen den Elektroden hineinragen, ohne eine Verbindung (Kurzschluß) zwischen den Elektroden herzustellen. Sie können z.B. fingerförmig, dreieckformig oder verästelt sein.
Mittels dieser Strukturen werden die Abstande zwischen den Elektroden verringert und so die Ausbildung von leitfahigen Verbindungen zwischen den Elektroden begünstigt. Die genannten elektrisch leitenden Partikeln sollten eine hohe Thermostabilitat aufweisen, so dass sie bei der thermischen Regeneration des Sensors und/oder des Russpartikelfilters nicht entfernt werden.
Ein solcher Sensor kann z.B. hergestellt werden, in dem die
Oberflache des Sensors einem Gasstrom ausgesetzt wird, der die genannten elektrisch leitende Partikel enthalt. Diese lagern sich - ahnlich den spateren, zu detektierenden Russpartikeln - auf der Oberflache an und bilden die genannten dendritischen Strukturen aus (siehe Fig. 5) .
Um die Anlagerung der Partikel zu unterstutzen, kann vorgesehen sein, dass eine Gleichspannung (sogenannte Saugspannung) zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, so dass sich die Partikel durch elektrostatische Anziehung auf der Oberflache im Bereich der Elektroden anlagern. Unter dem Mikroskop lasst sich dabei ein regelrechtes „Wachsen" der dendritischen Strukturen von den Elektroden aus in Richtung des Bereichs zwischen den Elektroden beobachten .
Anschließend werden die dendritischen Strukturen auf der Oberflache fixiert, z.B. durch Tempern oder das Ausbilden von Wechselwirkungen zwischen der Oberflache und den Partikeln.
Bei den Partikeln kann es sich z.B. um Platinpartikel oder auch um elektrisch leitende Keramikpartikel handeln.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Elektroden zueinander in Form von Interdigitalelektroden angeordnet sind.
Diese Art der Ausgestaltung sowie die sich hieraus ergebenden
Vorteile sind an sich bekannt. Häufig, und auch dies ist bevorzugt, liegen die Elektroden in maanderformiger Anordnung vor .
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Sensors ist vorgesehen, dass die Elektroden mittels Siebdrucktechnik auf die Oberflache des Sensors aufgebracht sind. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind bereits weiter oben erläutert. Weitere geeignete Verfahren zur Aufbringung der Elektroden sind Schablonendruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck, Transferfilm. All diesen Verfahren ist gemein, dass der damit erzielbare Minimalabstand der Elektroden zueinander für eine befriedigende Empfindlichkeitsverbesserung des Sensors nicht ausreicht, so dass die technische Lehre der vorliegenden Erfindung auf alle Sensoren, die mit einem dieser Verfahren hergestellt wurden, vorteilhaft anwendbar ist.
Bevorzugt handelt es sich bei den zu bestimmenden leitfahigen Partikeln um Russpartikel. Entsprechend ist der Sensor bevorzugt ein Russpartikelsensor. Bei dem Gasgemisch handelt es sich bevorzugt um ein Verbrennungsgas-Gemisch. Besonders bevorzugt ist der Sensor im Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Sensors ist vorgesehen, dass der Sensor eine Heizeinrichtung zur thermischen Regeneration des Sensors aufweist. Mit deren Hilfe können die auf der Sensoroberflache angelagerten Russpartikel abgebrannt werden und die leitende Verbindung zwischen den Elektroden wird unterbrochen, so dass der Sensor erneut einsetzbar ist.
Zur Verbesserung der Korrelation des gemessenen Signals mit der im Gas vorhandenen Partikelkonzentration und/oder zur Steuerung der Regeneration (Temperaturgeregelt / -begrenzt) kann zusatzlich ein Temperaturfühler (etwa in Form eines Widerstandsmaanders) im Sensor integriert werden, da viele Partikel (insbesondere auch Ruß) eine von der Temperatur abhangige elektrische Leitfähigkeit aufweisen .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor mindestens zwei Sensorabschnitte mit jeweils mindestens zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden der mindestens zwei Sensorabschnitte jeweils unterschiedliche Abstande und/oder Konfigurationen aufweisen, die mindestens zwei Sensorabschnitte mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden oder die Elektroden der mindestens zwei Sensorabschnitte unterschiedliche Materialien aufweisen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Messbereiche bzw. Messempfindlichkeiten an den verschiedenen Sensorabschnitten erzielen . Es ist weiterhin ein Verfahren zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei diesem Verfahren ein wie oben beschriebener erfindungsgemaßer Sensor verwendet wird.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken .
Es zeigen:
Fig. 1 die Aufsicht auf einen erfindungsgemaßen Sensor;
Fig. 2 eine erste Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Sensors in Querschnittsansicht;
Fig. 3 eine erste Variante einer zweiten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Sensors in Querschnittsansicht;
Fig. 4 eine zweite Variante einer zweiten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Sensors in Querschnittsansicht; und
Fig. 5 eine dritte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Sensors in vergrößerter Aufsicht.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemaßen Sensor 10 mit den Elektroden 11, 12 auf einer Oberflache 13. Bei den Elektroden 11, 12 handelt es sich um sogenannte Interdigitalelektroden, die kammartig ineinander greifend angeordnet sind. Der Sensor ist z.B. im Abgasstrom eines nicht dargestellten Dieselmotors angeordnet, so dass sich Russpartikel aus dem Abgasstrom auf der Oberflache des Sensors ablagern. Wenn sich ausreichend Russpartikel auf der Oberflache abgelagert haben, werden die beiden Elektroden kurzgeschlossen, und es kann ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Elektroden gemessen werden.
Figs . 2a, 2b zeigen einen erfindungsgemaßen Sensor 20 in zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die Elektroden 21, 22 auf einer Oberflache 23. Im Bereich zwischen den Elektroden 21, 22 ist ein elektrisch leitendes Material 24 angeordnet, dessen Zusammensetzung so gewählt ist, dass es nach Aufbringung auf den Sensor Risse 25 ausbildet, dergestalt, dass eine durch das frisch aufgebrachte Material ggf. herbeigeführte leitfahige Verbindung zwischen den Elektroden unterbrochen wird.
Bei diesem Material 24 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen leitenden Lack, der nach Auftragung Schwindungsrisse 25 ausbildet. Da die bei der Trocknung auftretenden Schwindungsrisse statistisch zufallig angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt, den die Elektroden zueinander aufweisen. Auf diese Weise wird die Menge der erforderlichen Russpartikel 26 zur Herstellung einer leitfahigen Verbindung reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt. Figs . 3a, 3b zeigen eine erste Variante einer zweiten Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Sensors 30 in zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die Elektroden 31, 32 auf einer Oberflache 33. Im Bereich zwischen den Elektroden 31, 32 ist ein Material 34 angeordnet, das elektrisch leitende Partikel 35 aufweist. Deren Konzentration in dem Material 34 ist so gewählt, dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle liegt. Auf diese Weise wird die Menge der erforderlichen Russpartikel 36 zur Herstellung einer leitfahigen Verbindung reduziert und die Messempfindlichkeit des Sensors steigt .
Bei dem Material 34 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine isolierende Aluminiumoxid-Matrix mit darin eingebetteten Platinpartikeln 35. Da die leitenden Partikel in der Matrix statistisch zufallig angeordnet sind, stellt sich ein mittlerer zu überbrückender Abstand im Bereich zwischen den Elektroden ein, der weit unterhalb des Abstandes liegt, den die Elektroden zueinander aufweisen.
Figs . 4a, 4b zeigen eine zweite Variante einer zweiten Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Sensors 40 in zwei Querschnittsansichten unterschiedlichen Maßstabs. Dargestellt sind die Elektroden 41, 42 auf einer Oberflache 43. Im Bereich zwischen den Elektroden 41, 42 ist ein Material 44 angeordnet, das elektrisch leitende Partikel 45 aufweist. Ebenfalls dargestellt sind Russpartikel 46. Im Unterschied zu der in Fig. 3 gezeigten Variante wurde in dieser Variante das Material 44 auf die noch nicht mit den Elektroden versehene Oberflache des Sensors aufgetragen, und die Elektroden wurden anschließend auf das Material aufgedruckt. Diese Ausgestaltung weist dieselben Vorteile auf wie die zuvor diskutierte Variante. Überdies kann das Material 44 so gewählt sein, dass es als Haftschicht zwischen der Oberflache 43 und den Elektroden 41, 42 dient.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Sensors 50 in vergrößerter Aufsicht. Der Sensor weist die beiden Interdigitalelektroden 51, 52 auf, zwischen denen dendritische Strukturen 53 ausgebildet sind, die aus leitenden Partikeln 54 bestehen und mit deren Hilfe der Abstand zwischen den beiden Interdigitalelektroden 51, 52 verkürzt wird. Partikel, Elektroden und Elektrodenabstand sind nicht massstablich dargestellt.
Ein solcher Sensor kann z.B. hergestellt werden, in dem die Oberflache des Sensors 50 einem Gasstrom ausgesetzt wird, der die genannten elektrisch leitende Partikel enthalt. Diese lagern sich - ahnlich den spateren, zu detektierenden Russpartikeln - auf der Oberflache an und bilden die genannten dendritischen Strukturen aus (siehe Fig. 5) .
Um die Anlagerung der Partikel zu unterstutzen, kann vorgesehen sein, dass eine Gleichspannung (sogenannte Saugspannung) zwischen den beiden Elektroden 51, 52 angelegt wird, so dass sich die Partikel 54 durch elektrostatische Anziehung auf der Oberflache im Bereich der Elektroden anlagern. Unter dem Mikroskop lasst sich dabei ein regelrechtes „Wachsen" der dendritischen Strukturen 53 von den Elektroden aus in Richtung des Bereichs zwischen den Elektroden beobachten. Anschließend werden die dendritischen Strukturen 53 auf der Oberflache des Sensors 50 fixiert .

Claims

An spruche
1. Sensor zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen, aufweisend eine dem Gasgemisch ausgesetzte Oberflache mit mindestens zwei Elektroden, die beabstandet zueinander auf der Oberflache angeordnet sind,
dergestalt, dass der Abstand zwischen den Elektroden durch sich auf der Oberflache des Sensors ablagernde leitfahige Partikel aus dem Gasgemisch uberbruckbar und auf diese Weise eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden des Sensors herstellbar ist, aus der eine Messgroße für die Konzentration der leitfahigen Partikel in dem Gasgemisch ableitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich zwischen den Elektroden ein Material angeordnet ist, das so gewählt ist, dass es leitfahige Abschnitte aufweist, die bei Anlagerung leitfahiger Partikel aus dem Gasgemisch die Ausbildung einer leitfahigen Verbindung zwischen den Elektroden begünstigen.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten
Material um ein elektrisch leitendes Material handelt, dessen Zusammensetzung so gewählt ist, dass es nach Aufbringung auf den Sensor schwindet und/oder Risse ausbildet.
3. Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten Material um ein Material aufweisend elektrisch leitende Partikel handelt, deren Konzentration in dem Material so gewählt ist, dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle liegt .
4. Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem im Bereich zwischen den Elektroden angeordneten Material um elektrisch leitende Partikel handelt, die dendritische Strukturen zwischen den Elektroden ausbilden.
5. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden zueinander in Form von Interdigitalelektroden angeordnet sind.
6. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mittels Siebdrucktechnik auf die Oberflache des Sensors aufgebracht sind.
7. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zu bestimmenden leitfahigen Partikeln um Russpartikel handelt.
8. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen Russpartikelsensor handelt.
9. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gasgemisch um ein Verbrennungsgas-Gemisch handelt.
10. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor im Abgassstrom eines Dieselmotors angeordnet ist.
11. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Heizeinrichtung zur thermischen Regeneration des Sensors aufweist.
12. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Temperaturfühler aufweist .
13. Sensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens zwei Sensorabschnitte mit jeweils mindestens zwei Elektroden aufweist, wobei
(a) die Elektroden der beiden Sensorabschnitte jeweils unterschiedliche Abstande und/oder Konfigurationen aufweisen; (b) die beiden Sensorabschnitte mit unterschiedlichen
Spannungen betrieben werden; oder (c) die Elektroden der beiden Sensorabschnitte unterschiedliche Materialien aufweisen.
14. Verfahren zur resistiven Bestimmung von Konzentrationen leitfahiger Partikel in Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem Verfahren ein Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 - 12 verwendet wird.
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