WO2009043711A1 - Verfahren zur eigendiagnose eines partikelsensors, zur durchführung des verfahrens geeignete partikelsensoren sowie deren verwendung - Google Patents

Verfahren zur eigendiagnose eines partikelsensors, zur durchführung des verfahrens geeignete partikelsensoren sowie deren verwendung Download PDF

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WO2009043711A1
WO2009043711A1 PCT/EP2008/062259 EP2008062259W WO2009043711A1 WO 2009043711 A1 WO2009043711 A1 WO 2009043711A1 EP 2008062259 W EP2008062259 W EP 2008062259W WO 2009043711 A1 WO2009043711 A1 WO 2009043711A1
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WO
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electrode
measuring
sensor
test
test electrode
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Application number
PCT/EP2008/062259
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French (fr)
Inventor
Thomas Wahl
Sabine Roesch
Benjamin Gaertner
Detlef Heimann
Thomas Marc Kammerer
Alexander Hetznecker
Bernd Philipp
Anna Karoline Winkler
Lothar Diehl
Bernhard Kamp
Bettina Wendling
Henrik Schittenhelm
Thomas Steinert
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
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/00584—Control arrangements for automatic analysers
    • G01N35/00594—Quality control, including calibration or testing of components of the analyser
    • G01N35/00613—Quality control
    • G01N35/00623—Quality control of instruments

Definitions

  • the present invention relates to a method for self-diagnosis of a particle sensor, suitable for carrying out the method particle sensors and their use.
  • Resistive particle sensors draw on the detection of particle ejection caused by particle accumulation resistance change of an electrode system with two or more comb-like interlocking electrodes (interdigital electrode system) zoom. Due to their functionality, resistive particle sensors arrange themselves according to the collecting principles. Such sensors are described by DE 101 493 33 A1 and WO 2003006976 A2.
  • resistive particle sensors in particular particle sensors, are known for conductive particles in which two or more intermeshing intermeshing Electrodes (interdigital electrodes), for example of platinum, are formed. These electrodes are conventionally arranged on an insulating aluminum oxide layer.
  • the senor when used for "on-board diagnosis", the sensor is arranged downstream of the exhaust gas flow with respect to a particle filter, no particles, in particular soot particles, should no longer be present in the exhaust gas in the case of a fully functional filter at the location where the sensor is arranged.
  • the fact that no signal is supplied by the sensor can also mean that the sensor is defective and thus a possibly also defective filter is not recognized as defective.
  • the functional testing of the sensor according to the invention takes place during the final inspection prior to delivery to the customer and during operation soot-free, so that persons present during the functional test are not exposed to harmful soot.
  • a sensor according to the invention can advantageously be produced simply and cost-effectively, for example by screen-printing methods.
  • FIGS. 1a-d are schematic views of a first embodiment of a particle sensor according to the invention comprising a measuring electrode system arranged on the surface of the sensor, an insulating layer arranged under the measuring electrode system and at least one test electrode arranged below the insulating layer, and illustrating a first embodiment of a contact according to the invention the test electrode;
  • Figs. 2a-2d are schematic views of a second embodiment of a particle sensor according to the invention, comprising on the surface of the
  • Isolating layers arranged measuring electrode system and at least one disposed below the insulating layer test electrode, and illustrate a second embodiment of a contacting the test electrode according to the invention
  • 3a-3d are schematic sections through a sensor according to the invention shown in Fig. Ia to Id and Fig. 2a to 2d parallel to the Meßelektrodensystemebene in the plane of the test electrode and show various embodiments of test electrodes according to the invention
  • Figs. 4a-4d are schematic views of a third embodiment of a particle sensor according to the invention, comprising a on the surface of the
  • Sensor arranged measuring electrode system, an under the measuring electrode system arranged insulating layers and at least one arranged below the insulating layer test electrode, and illustrate a third embodiment of a contacting the test electrode according to the invention
  • FIGS. 5a-5d are schematic sections through a sensor according to the invention shown in FIGS. 4a to 4d, parallel to the measuring electrode system plane in the plane of the test electrode;
  • 6c is a schematic plan view of the measuring electrode system level of a further embodiment of a sensor according to the invention with two test electrodes according to the invention, which are different from those shown in FIG. 6a
  • Fig. 6d is a circuit diagram for the embodiments of a sensor according to the invention shown in Figs. 6a and 6b;
  • FIG. 7a is a schematic plan view of the measuring electrode system plane of another embodiment of a sensor according to the invention
  • FIG. 7b is a schematic plan view of the measuring electrode system level of a further embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 6c in that the sensor comprises only one planar, ceramic test electrode;
  • Fig. 7c is a circuit diagram for the embodiments of a sensor according to the invention shown in Figs. 7a and 7b;
  • FIG. 8 is a schematic plan view of the measuring electrode system plane of a further embodiment of a sensor according to the invention with a layer of a material with a high relative permittivity arranged under the measuring electrode system; and FIG. 9 is a schematic plan view of the measuring electrode system plane of another embodiment of a sensor according to the invention with two strips of electrically conductive material arranged vertically above or below the ends of the electrode arms of the measuring electrodes and to the electrode arms, respectively over the ends of the electrode arms of a measuring electrode arranged strip is electrically connected to the other measuring electrode.
  • FIGS. 1 a to 1 d schematically show a first embodiment of a sensor according to the invention for detecting particles in a gas stream, comprising a measuring electrode system 1 arranged on the surface of the sensor with two interdigitated measuring electrodes 2, 3, an insulating layer arranged below the measuring electrode system 1 4 and at least one arranged under the insulating layer 4 test electrode 5 from different views.
  • FIG. 1 a is a schematic section through this embodiment of a sensor according to the invention to the plane of the measuring electrode system along a line A - A '.
  • FIG. 1a shows that a carrier element 6 is arranged below the test electrode 5.
  • suitable for this purpose is a delafosit, for example CuAlO 2 , silicon carbide, nitride-bonded silicon carbide, nitride-bonded silicon aluminum carbide, doped or undoped ruthenium oxide, in particular undoped ruthenium dioxide, doped or undoped indium oxide, for example tin-doped indium oxide, doped zirconium oxide, for example yttrium-doped zirconium oxide, doped aluminum oxide and / or doped and / or undoped zinc oxide, for example iron-, manganese-, titanium- and / or magnesium-doped aluminum oxide (Al 2 O 3: Mg - Ti) and / or zinc oxide, and / or compounds of the LaSrMÜ 3 type, where M is a transition metal ,
  • Material such as platinum, understood, which has a high conductivity both below 600 0 C and above 600 0 C.
  • FIG. 1 a shows that the heating device 7 is separated from a further insulating layer 4
  • the heating device 7 is electrically conductively connected via a plated-through hole 8 with two contacts 9, 10 arranged on the side of the sensor opposite the measuring electrode system 1.
  • the test electrode 5 according to the invention is connected via a line 20 to a contact 21, which in turn is electrically conductively connected to the heating device 7 via a plated-through hole 22. Since the heater 7 As already explained, it can be electrically contacted by the outside of the sensor, the test electrode 5 in the context of this embodiment can be electrically connected via the heating device 7 for carrying out the method according to the invention.
  • Figure Ib is a schematic section taken along the line B-B 'of Figure Ia
  • FIG. 1 b shows that the measuring electrodes 2, 3 of the measuring electrode system 1 are each connected via a line 11, 12 to a respective contact 13, 14.
  • FIG. 1c shows a schematic section along the line C-C through the embodiment of a sensor according to the invention shown in FIG. 1a, parallel to the measuring electrode system plane, and shows a plane of the sensor in which a heating device 7 is arranged.
  • FIG. 1c shows that the heating device 7 comprises a heating meander 15, two lines 16, 17 and two contacts 18, 19, wherein the heating meander 15 is connected to the two contacts 18, 19 via the two lines 16, 17.
  • the heating device 7 is electrically conductively connected through the through-hole 8 shown in FIG. 1 a to the two contacts 9, 10 arranged on the side of the sensor opposite the measuring electrode system 1.
  • FIG. 1d is a schematic section perpendicular to the measuring electrode system plane along the line D-D 'through the embodiment of a sensor according to the invention shown in FIGS. 1a to 1c.
  • Figures 2a to 2d show schematically a second embodiment of a sensor according to the invention from different views.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the test electrode 5, according to a second embodiment of a contact according to the invention of the test electrode 5, connected via a line 20 to a contact 21, which in turn through a via 23 through the between
  • Measuring electrode system 1 and the test electrode 5 arranged insulating layer 4 is electrically conductively connected to a further contact 24 on the surface of the sensor. Accordingly, in the context of this embodiment of a contacting according to the invention, the test electrode 5 can be electrically connected via the contact 24 from the outside of the sensor for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 2 a shows a schematic section through a sensor of the second embodiment perpendicular to the plane of the measuring electrode system along a line F - F '.
  • FIG. 2b shows a schematic section along the line GG 'of the sensor shown in FIG. 2a.
  • Figure 2c is a schematic section parallel to
  • Figure 2d is a schematic section perpendicular to the measuring electrode system plane along the line I-I '.
  • FIGS. 3 a to 3 d are schematic sections through the sensor shown in FIGS. 1 a to 1 d or those shown in FIGS. 2 a to 2 d, parallel to the measuring electrode system plane in FIG
  • FIG. 3 a shows a first embodiment of a test electrode 5 according to the invention.
  • the test electrode 5 comprises three linear line elements 27, 28, 29 which are arranged connected in a plane and electrically conductively connected to one another, thereby forming a Surface is spanned.
  • the conduit element 27 is arranged perpendicularly and centrally to the mutually parallel conduit elements 28, 29, which is thereby formed an H-shaped test electrode 5.
  • the H-shaped test electrode 5 is the H-shaped
  • the first insulating layer 4 has at least one recess 40 in the region of the contacts 13, 14.
  • the line (for example 41 or 42) of the respective test electrode (for example 5 'or 5) arranged below the first insulating layer 4 is connected to the line (eg 11 or 12) arranged above the first insulating layer 4 ) of the overlying, inversely aligned measuring electrode (for example 2 or 3) and / or with the contact (for example, 13 or 14) of the overlying, inversely aligned measuring electrode (for example, 2 or 3) electrically conductively connected.
  • the contacts 13, 14 of the measuring electrodes 2, 3 can in the context of the present invention both on the first insulating layer 4 and on one of the test electrodes
  • Heating device 7 or temperature measuring device such that a voltage is applied, that the positive pole of the voltage applied to the measuring electrode 2, at which the test electrode 5; 5 'is connected, and in a third process step to the measuring electrode 2 at which the test electrode 5; 5 'is connected and at a measuring electrode 3 at the no test electrode 5; 5 'is connected, such that a voltage is applied so that the negative pole of the voltage is applied to the measuring electrode 2, at which no test electrode 5; 5 'is connected, wherein in each case the electrical current flow or voltage drop between the respective measuring electrode 2, 3 and the heating device 7 or temperature measuring device or between the two measuring electrodes 2, 3 measured and as a measure of the functionality of the sensor, in particular the insulating layer 4 and / or the insulation of the heater and / or the insulation of the temperature measuring device, is output.
  • Measuring electrodes is increased so that it occupies the relevant proportion of the total impedance in a measurement with an AC voltage between the terminals Al and A2.
  • FIG. 5a is a schematic plan view of the measuring electrode system level of a further embodiment of a sensor according to the invention.
  • the test electrode is formed from a metal or a conductive material in the form of a flat (full-area) test electrode 5.
  • the planar test electrode 5 is so formed and arranged under a first insulating layer 4, on which a measuring electrode system 1 with at least two interdigitated interdigital measuring electrodes 2, 3, that the flat
  • Test electrode 5 has an approximately equal area as the measuring electrode system 1 and / or is arranged centrally below the measuring electrode system 1.
  • the test electrode 5 is connected via a likewise disposed below the insulating layer 4 metallic line 32 to one of the measuring electrodes 2.
  • the test electrode 5 is connected to a contact 13 via a metallic line 41
  • Layer 4 ' is arranged in the context of this embodiment, a support member 6.
  • the resistors R5 and R6 respectively correspond to the ohmic resistances between a measuring electrode 2, 3 and the test electrode 5. Insofar as no further layers are arranged between the measuring electrodes 2, 3 and the test electrodes 5, except the insulating layer 4, resistors correspond R5 and R6, the resistance of the insulating layer 4.
  • the capacitance Cl is the electrical
  • the electrical capacitances C2 and C3 respectively correspond to the electrical capacitances between a measuring electrode 2, 3 and the test electrode 5.
  • the inventive method for self-diagnosis for example, to determine the
  • the quality and integrity of the measuring electrodes makes it possible to use the electrical capacitance, in particular the electrical capacitance C3, also by means of a connection according to the invention from a test electrode. between the measuring electrodes is increased, so that this occupies the relevant proportion of the total impedance in a measurement with an AC voltage between the terminals Al and A2.
  • K R is the constant ohmic content at a constant temperature.
  • Figure 8 is a schematic plan view of the measuring electrode system plane of another embodiment of a sensor according to the invention with a arranged below the measuring electrode system layer 45 of a material having a high relative permittivity ⁇ rel a tive
  • Figure 8 shows, an insulating layer beneath the layer 45 4 arranged.
  • At least one test electrode (not shown) according to one of the embodiments of the invention described above is formed, arranged and / or connected under this insulating layer 4.
  • the surface of the layer 45 of a material having a high relative permittivity ⁇ rel a tive corresponds approximately to the invention the measuring electrode system 1.
  • layer 45 of a material with a high relative permittivity ⁇ rel a tive corresponds approximately to the invention the measuring electrode system 1.
  • layer 45 of a material with a high relative permittivity ⁇ rel a tive corresponds approximately to the invention the measuring electrode system 1.
  • layer 45 of a material with a high relative permittivity ⁇ rel a tive corresponds approximately to the invention the measuring electrode system
  • the signal can be improved in the self-diagnosis of the sensor through such a layer 45 of a material having a high relative permittivity ⁇ rel a tive.
  • a material having a high relative permittivity ⁇ rela tively a known temperature dependence of the relative permeability ⁇ re i at i V (T) can also be determined advantageously via the change in capacitance, the temperature, the measuring electrodes 2, 3 simultaneously via a Resistance measurement can be further characterized.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of the measuring electrode system plane of a further embodiment of a sensor according to the invention with two strips 46, 47 made of one, for example metallic, electrically conductive or conductive material which over the ends 25 of the electrode arms 26 of the measuring electrodes 2, 3 and to the Electrode arms 26 are arranged vertically.
  • the two strips 46, 47 are arranged above the ends 25 of the electrode arms 26 of the measuring electrodes 2, 3 such that in each case the one above the ends 25 of the electrode arms 26 of the one measuring electrode (For example, 2 or 3) arranged strips (for example, 46 or 47) is electrically conductively connected via a contact (for example, 48 or 49) with the other measuring electrode (for example, 3 or 2).
  • the strips 46, 47 are arranged spaced apart from the electrode arms 26 with which they are not electrically conductively connected via a contact 48, 49 in such a way that the strips 46, 47 are arranged at a distance of> 10 ⁇ m to 50 ⁇ m parallel to the surface of the electrode arms 26 extend.
  • the strips 46, 47 act as capacitor plates and lead, due to the small distance, to a large increase in the total capacity.
  • the total capacity results from adding the capacitance between the two measuring electrodes 2, 3 and the capacitances between the strips (for example 46 or 47) and those at the other measuring electrode (for example 2 or 3), that is at the other pole, connected electrode arms 26.
  • the present invention is a method for self-diagnosis of a
  • sensors comprising, for example, a measuring electrode system arranged on an outer surface and an insulating layer arranged above / next to the measuring electrode system and a test electrode arranged above / next to the insulating layer are likewise provided by the present invention.
  • the present invention is based on the principle that the capacity of the measured, among other things, the number, the length and the width of the electrode arms
  • the capacitance between a measuring electrode and a test electrode or heating device or temperature measuring device is determined; and in a second method step, the capacitance between another measuring electrode and a test electrode or
  • the capacitance determination can be carried out in the context of the present invention via a Wheatstone bridge circuit.
  • the senor is reported as not functioning when falling below a maximum capacity difference. Since, with a small difference in capacitance with simultaneously reduced capacitances between the measuring electrodes, there may be a double error consisting of two reduced / defective ones
  • Comb results in a further preferred embodiment of the method according to the invention, the sensor is reported as non-functional even with a small capacitance difference and simultaneously falling below a minimum capacitance value between the measuring electrodes.
  • Another object of the present invention is a sensor for detecting particles in a gas stream, which is suitable for carrying out the method according to the invention, comprising a arranged on the surface of the sensor measuring electrode system with at least two interdigitated interdigital measuring electrodes; and at least one insulating layer disposed under the measuring electrode system; and at least one test electrode arranged under the insulating layer (s), characterized in that - the test electrode (s) comprises at least one bent line element and / or at least two linear line elements connected in a plane and electrically conductively connected to one another thereby an area is spanned.
  • the conductive element (s) of the test electrode are / are arranged and / or formed such that an interdigital test electrode or an S, T, Z, N, H, X
  • the electrode arms of the interdigital test electrode are shorter than the electrode arms of the measuring electrodes and / or the comb backs and / or electrode arms of the interdigital test electrode are narrower than the comb backs and / or electrode arms of the measuring electrodes.
  • test electrode via a metallic
  • Line and / or an electrically conductive material to be connected to one of the measuring electrodes for example to a line and / or a contact of one of the measuring electrodes.
  • a test electrode can be connected to one of the measuring electrodes through a recess in an insulating layer arranged between the measuring electrode and the test electrode via a metallic line and / or an electrically conductive material.
  • a first test electrode is connected to a first measuring electrode and a second test electrode is connected to a second measuring electrode.
  • a test electrode can be connected to the housing of the sensor via a metallic line and / or an electrically conductive material.
  • a test electrode can be connected to the housing of the sensor via an additional contact on the outside of the sensor, which is electrically conductively connected to the test electrode by means of a plated through-hole.
  • the sensor comprises a carrier element made of an electrically conductive material of which the test electrode is not electrically insulated, for example by an insulating layer
  • the test object is applied to the housing via the electrically conductive material of the carrier element, for example during a regeneration phase of the sensor connected to the sensor.
  • the housing of a sensor according to the invention is grounded. Therefore, in the context of this embodiment, the test electrode may be grounded. By earthing the test electrode, an effective shielding of the capacitive and resistive coupling of the preferably cyclically operated heating device into the measuring electrodes is advantageously avoided.
  • the test electrode is via the electrically conductive material of the carrier element, which due to a recess in the insulating layer Heater or temperature measuring device contacted the heater or temperature measuring device, for example during a regeneration phase of the sensor, to the heater or
  • a test electrode can be connected to a heating device or temperature measuring device via a metallic line extending outside the sensor and / or an electrically conductive material arranged outside the sensor.
  • a test electrode can be connected via an additional contact on the outside of the sensor, which is electrically conductively connected to the test electrode by a via, to a heating device or temperature measuring device, for example in the starting region of a cable harness.
  • the measuring electrodes and / or the test electrode (s) and / or the metallic line (s) can be selected from a metal or a metal alloy selected from the group consisting of platinum, copper, silver, gold, iron, cobalt, nickel, Palladium, ruthenium, iridium and / or rhodium are formed.
  • the measuring electrodes are preferably made of platinum and / or the test electrode (s) are formed of a platinum alloy.
  • Another object of the present invention is a sensor for detecting particles in a gas stream, which for carrying out the inventive
  • Method comprising a arranged on the surface of the sensor measuring electrode system with at least two interdigitated interdigital measuring electrodes and at least one arranged below the measuring electrode system insulating layer and under the / the insulating layer / s arranged flat test electrode, characterized in that the test electrode of a electrically conductive material or a metal is formed and - via a metallic line and / or an electrically conductive material to the
  • Another object of the present invention is a sensor for detecting particles in a gas stream, which for carrying out the inventive
  • Method comprising a arranged on the surface of the sensor measuring electrode system having at least two interdigitated interdigital measuring electrodes and at least one arranged under the measuring electrode system insulating layer and - arranged under the / the insulating layer / s surface test electrode, characterized in that the test electrode of an electrically conductive material or a metal is formed and connected via a metallic line to one of the measuring electrodes, for example via a line of a measuring electrode or via a contact of a measuring electrode, or to a heating device or, wherein no current measuring instrument through the metallic line between the test electrode and the measuring electrodes or the Heating device is switched.
  • the distance between the plane of the measuring electrode system and the surface defined by the line elements of the test electrode or the surface of the flat test electrode is preferably in a range of> 2 ⁇ m to 50 ⁇ m, for example of> 5 ⁇ m to ⁇ 30 ⁇ m, in particular from> 10 ⁇ m to ⁇ 10 ⁇ m.
  • the capacitance of the measuring electrode system increases by such a small distance between
  • Line elements of the test electrode / n spanned surface or the surface of the planar test electrode approximately correspond to the surface of the measuring electrode system.
  • a sensor of the invention may comprise a layer of a material having a relative permittivity ⁇ rel a tive of> 10, for example of> 10, in particular of> 10 5 within the framework of all embodiments further disposed between the Measuring electrode system and a first disposed below insulating layer is arranged.
  • the surface of the layer is made of a material having a high relative permittivity ⁇ rel a tive in about equal to or greater than / as the surface of the measuring electrode system.
  • the term "approximately” is understood to mean deviations of up to 30%, for example up to 20%, in particular up to 15%.
  • the layer is made of a material having a high relative permittivity ⁇ rel a tive arranged centrally below the measuring electrode system.
  • a sensor according to the invention can furthermore comprise two strips of one, for example metallic, electrically conductive or conductive material, which are arranged vertically above the ends of the electrode arms of the measuring electrodes and to the electrode arms, wherein the one above the ends of the electrode arms of the one Measuring electrode arranged strip is electrically connected to the other measuring electrode.
  • the strips are preferably arranged at a distance from the electrode arms, with which they are not electrically conductively connected via a contact, such that the strips are spaced> 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, for example from> 20 ⁇ m to ⁇ 40 ⁇ m, in particular from> 5 ⁇ m to ⁇ 15 ⁇ m, run parallel to the surface of the electrode arms.
  • Another object of the present invention is the use of a sensor according to the invention and / or a method according to the invention in a workshop measuring device for emission analysis or in a measuring device for controlling the air quality or in soot-particle sensors, in particular soot-particle sensors for on board diagnosis "(OBD), and / or for monitoring the operation of an internal combustion engine, such as a diesel engine, or an incinerator, such as an oil heater or a furnace, and / or to monitor the functioning of a particulate filter and / or to monitor the load condition of a particulate filter, for example a diesel particulate filter (DPF), or for monitoring of chemical manufacturing processes, exhaust air systems and / or exhaust aftertreatment systems.
  • OBD on board diagnosis
  • an internal combustion engine such as a diesel engine
  • an incinerator such as an oil heater or a furnace
  • DPF diesel particulate filter

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3) und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem (1) angeordnete isolierende Schicht (4) und/oder mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Prüfelektrode (5, 5) und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Heizvorrichtung (7) und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Temperaturmessvorrichtung in dem eine Kapazität zwischen zwei Messelektroden (2, 3) und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und einer Prüfelektrode (5; 5) und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und der Heizvorrichtung (7) und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und der Temperaturmessvorrichtung unter Anlegen einer Wechselspannung oder Gleichspannung bestimmt und als Maßfür die Funktionsfähigkeit des Sensors ausgegeben wird, sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignete Sensoren und deren Verwendung.

Description

Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Partikelsensoren sowie deren Verwendung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Partikelsensoren sowie deren Verwendung.
Stand der Technik
In naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen während des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen eines Motors bzw. Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht werden (On Board Diagnose, OBD). Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle notwendig, um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten, kraftstoffsparenden Regenerationszyklen zu gewährleisten und kostengünstige Filtermaterialien, beispielsweise Cordierit, einsetzen zu können.
Eine Möglichkeit hierzu bieten aus dem Stand der Technik bekannte Partikelsensoren, insbesondere resistive Partikelsensoren. Resistive Partikelsensoren ziehen zur Detektion des Partikelausstoßes eine durch Partikelanlagerung hervorgerufene Widerstandsänderung eines Elektrodensystems mit zwei oder mehr kammartig ineinander greifenden Elektroden (interdigitales Elektrodensystem) heran. Aufgrund ihrer Funktionsweise ordnen sich resistive Partikelsensoren bei den sammelnden Prinzipien ein. Derartige Sensoren werden von der DE 101 493 33 Al sowie der WO 2003006976 A2 beschrieben.
Derzeit sind resistive Partikelsensoren, insbesondere Partikelsensoren, für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere kammartig ineinander greifende Elektroden (Interdigitalelektroden), beispielsweise aus Platin, ausgebildet sind. Diese Elektroden sind herkömmlicherweise auf einer isolierenden Aluminiumoxidschicht angeordnet.
Durch das Anlegen einer Messspannung an die Elektroden lagern sich Partikel, insbesondere Rußpartikel, auf der Sensorfläche und insbesondere zwischen den Elektroden an, welche die Elektroden kurzschließen. Mit steigender Partikelmasse auf der Sensorfläche wird ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar. Nach Erreichen eines Schwellwertes kann ein sich ändernder Sensorstrom gemessen werden, der mit der
Zunahme der Partikelmasse auf der Sensoroberfläche korreliert werden kann. Zur Regeneration des Sensors nach der Partikelanlagerung muss der Sensor mit Hilfe einer integrierten, elektrisch isolierten, niedrigohmigen Heizvorrichtung freigebrannt werden.
Da bei einem Einsatz zur „on board diagnosis" der Sensor bezüglich eines Partikelfilter stromabwärts des Abgasstroms angeordnet ist, sollten sich bei einem voll funktionsfähigen Filter an der Stelle, an der der Sensor angeordnet ist, keine Partikel, insbesondere Rußpartikel, mehr im Abgas befinden, die ein Sensorsignal liefern könnten. Dass kein Signal von dem Sensor geliefert wird kann allerdings auch bedeuten, dass der Sensor defekt ist und somit ein gegebenenfalls ebenfalls defekter Filter nicht als defekt erkannt wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Eigendiagnose eines Partikelsensors, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden und mindestens eine unter dem
Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und/oder mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Prüfelektrode und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Heizvorrichtung und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Temperaturmessvorrichtung in dem eine Kapazität zwischen zwei Messelektroden und/oder zwischen einer Messelektrode und einer
Prüfelektrode und/oder zwischen einer Messelektrode und der Heizvorrichtung und/oder zwischen einer Messelektrode und der Temperaturmessvorrichtung unter Anlegen einer Wechselspannung oder Gleichspannung bestimmt und als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors ausgegeben wird hat den Vorteil, dass eine Diagnose der Messelektroden des Sensors (Eigendiagnose) durchgeführt werden kann. Durch eine derartige Eigendiagnose des Sensors ist es möglich, defekte Sensoren, deren Elektroden während der Fertigung oder über die Lebensdauer des Sensors verletzt wurden, zu erkennen und durch entsprechende Korrektur des gemessenen Partikelsignals den Fehler auszugleichen oder den Fahrer/Betreiber des Fahrzeugs/Anlage bei einem Totalausfall des Sensors davon in Kenntnis zu setzen. Vorteilhafterweise erfolgt die erfindungsgemäße Funktionsprüfung des Sensors sowohl bei der Endkontrolle vor der Auslieferung an den Kunden als auch während des Betriebs rußfrei, so dass bei der Funktionsprüfung anwesende Personen nicht gesundheitsschädlichem Ruß ausgesetzt sind. Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Sensor vorteilhafterweise einfach und kostengünstig, beispielsweise durch Siebdruckverfahren, hergestellt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren und die nachfolgende Beschreibung genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Fig. Ia-Id sind schematische Ansichten einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem, eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schichten und mindestens eine unter der isolierenden Schicht angeordnete Prüfelektrode, und veranschaulichen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode;
Fig. 2a-2d sind schematische Ansichten einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, umfassend ein auf der Oberfläche des
Sensors angeordnetes Messelektrodensystem, eine unter dem - A -
Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schichten und mindestens eine unter der isolierenden Schicht angeordnete Prüfelektrode, und veranschaulichen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode; Fig. 3a-3d sind schematische Schnitte durch einen in Fig. Ia bis Id bzw. Fig. 2a bis 2d gezeigten erfindungsgemäßen Sensor parallel zur Messelektrodensystemebene in der Ebene der Prüfelektrode und zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Prüfelektroden;
Fig. 4a-4d sind schematische Ansichten einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, umfassend ein auf der Oberfläche des
Sensors angeordnetes Messelektrodensystem, eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schichten und mindestens eine unter der isolierenden Schicht angeordnete Prüfelektrode, und veranschaulichen eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode;
Fig. 5a-5d sind schematische Schnitte durch einen in Fig. 4a bis 4d gezeigten erfindungsgemäßen Sensor parallel zur Messelektrodensystemebene in der Ebene der Prüfelektrode;
Fig. 6a ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei erfindungsgemäßen interdigitalen Prüfelektroden sowie einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektroden;
Fig. 6b ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei erfindungsgemäßen interdigitalen Prüfelektroden, die sich von den in Fig. 6a gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheiden, dass die Elektrodenarme der Prüfelektroden kürzer sind;
Fig. 6c ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei erfindungsgemäßen Prüfelektroden, die sich von den in Fig. 6a gezeigten
Ausführungsform dadurch unterscheiden, dass nur eine der Prüfelektroden eine interdigitale Prüfelektrode ist und die andere Prüfelektrode eine flächige keramische Prüfelektrode ist, und veranschaulicht eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung einer Prüfelektrode; Fig. 6d ist ein Schaltbild für die in den Fig. 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 7a ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 7b ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, welche sich von der in Fig. 6c gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass der Sensor nur eine flächige, keramische Prüfelektrode umfasst;
Fig. 7c ist ein Schaltbild für die in den Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 8 ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer unter dem Messelektrodensystem angeordneten Schicht aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität; und Fig. 9 ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei Streifen aus einem elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Material, die über oder unter den Enden der Elektrodenarme der Messelektroden und zu den Elektrodenarmen senkrecht angeordnet sind, wobei jeweils der über den Enden der Elektrodenarme der einen Messelektrode angeordnete Streifen elektrisch leitend mit der anderen Messelektrode verbunden ist.
Beschreibung der Abbildung
Die Figuren 1 a bis Id zeigen schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem 1 mit zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden 2, 3, eine unter dem Messelektrodensystem 1 angeordnete isolierende Schicht 4 und mindestens eine unter der isolierenden Schicht 4 angeordnete Prüfelektrode 5 aus verschiedenen Ansichten.
Figur 1 a ist ein schematischer Schnitt durch diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors zur Ebene des Messelektrodensystems entlang einer Linie A- A'. Figur Ia zeigt, dass unter der Prüfelektrode 5 ein Trägerelement 6 angeordnet ist. Das
Trägerelement 6 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem elektrisch leitfähigen Material ein Material verstanden, das bei der Temperatur, bei der die Detektion von Partikel mit einem erfindungsgemäßen Sensor stattfindet, beispielsweise bei einer Temperatur von >50 0C bis < 500 0C oder bei einer Temperatur von >50 0C bis < 450 0C, keine oder nur eine geringfügige elektrische Leitfähigkeit, beispielsweise eine spezifische Leitfähigkeit von > 10"9 S m"1 bis zu < 10"6 S m"1, von > 10"8 S m"1 bis zu < 10"7 S m"1, aufweist, welches hingegen bei der Temperatur, bei der der Sensor regeneriert wird, beispielsweise bei einer Temperatur von >600 0C, eine mittlere Leitfähigkeit, beispielsweise eine spezifische Leitfähigkeit von > 10"6 S m"1 bis < 10"3 S m"1, aufweist.
Beispielsweise eignet sich hierfür ein Delafosit, beispielsweise CuAlO2, Siliciumcarbid, nitridgebundenes Siliciumcarbid, nitridgebundenes Siliciumaluminiumcarbid, dotiertes oder undotiertes Rutheniumoxid, insbesondere undotiertes Rutheniumdioxid, dotiertes oder undotiertes Indiumoxid, beispielweise zinndotiertes Indiumoxid, dotiertes Zirkoniumoxid, beispielsweise yttriumdotiertes Zirkoniumoxid, dotiertes Aluminiumoxid und/oder dotiertes und/oder undotiertes Zinkoxid, beispielsweise eisen-, mangan-, titan- und/oder magnesium- dotiertes Aluminiumoxid (Al2θ3:Mg -Ti) und/oder Zinkoxid, und/oder Verbindungen des Typs LaSrMÜ3, wobei M ein Übergangsmetall ist.
Unter einem elektrisch leitenden Material wird im Sinn der vorliegenden Erfindung ein
Material, beispielsweise Platin, verstanden, welches sowohl unterhalb von 600 0C als auch oberhalb von 600 0C eine hohe Leitfähigkeit aufweist.
In dem Trägerelement 6 ist darüber hinaus eine Heizvorrichtung 7 eingebettet. Figur 1 a zeigt, dass die Heizvorrichtung 7 von einer weiteren isolierenden Schicht 4
(Heizvorrichtungsisolation) umgeben ist. Die Heizvorrichtung 7 ist über eine Durchkontaktierung 8 mit zwei, auf der dem Messelektrodensystem 1 gegenüberliegenden Seite des Sensors angeordnete Kontakte 9, 10 elektrisch leitend verbunden.
Die erfindungsgemäße Prüfelektrode 5 ist, entsprechend einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5, über eine Leitung 20 an einen Kontakt 21 angeschlossen, welcher wiederum über eine Durchkontaktierung 22 mit der Heizvorrichtung 7 elektrisch leitend verbunden ist. Da die Heizvorrichtung 7 wie bereits erläutert von der Außenseite des Sensors elektrisch kontaktiert werden kann, kann die Prüfelektrode 5 im Rahmen dieser Ausführungsform über die Heizvorrichtung 7 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch beschaltet werden.
Figur Ib ist ein schematischer Schnitt entlang der Linie B-B' der in Figur Ia gezeigte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. Figur Ib zeigt, dass die Messelektroden 2, 3 des Messelektrodensystems 1 jeweils über eine Leitung 11, 12 an jeweils einen Kontakt 13, 14 angeschlossen sind.
Figur Ic ist ein schematischer Schnitt entlang der Linie C-C durch die in Figur Ia gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors parallel zur Messelektrodensystemebene und zeigt eine Ebene des Sensors in der eine Heizvorrichtung 7 angeordnet ist. Figur Ic zeigt, dass die Heizvorrichtung 7 einen Heizmäander 15, zwei Leitungen 16, 17 und zwei Kontakte 18, 19 umfasst, wobei der Heizmäander 15 über die zwei Leitungen 16, 17 an die zwei Kontakte 18, 19 angeschlossen ist. An diesen zwei Kontakten 18, 19 ist die Heizvorrichtung 7 durch die in Figur 1 a gezeigte Durchkontaktierung 8 mit den zwei, auf der dem Messelektrodensystem 1 gegenüberliegenden Seite des Sensors angeordneten Kontakten 9, 10 elektrisch leitend verbunden.
Figur 1 d ist ein schematischer Schnitt senkrecht zur Messelektrodensystemebene entlang der Linie D-D' durch die in den Figuren Ia bis Ic gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors aus verschiedenen Ansichten. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Prüfelektrode 5, entsprechend einer zweiten Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5, über eine Leitung 20 an einen Kontakt 21 angeschlossen, welcher wiederum über eine Durchkontaktierung 23 durch die zwischen dem
Messelektrodensystem 1 und der Prüfelektrode 5 angeordnete isolierende Schicht 4 elektrisch leitend mit einem weiteren Kontakt 24 auf der Oberfläche des Sensors verbunden ist. Dementsprechend kann im Rahmen dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung die Prüfelektrode 5 über den Kontakt 24 von der Außenseite des Sensors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch beschaltet werden. Figur 2a zeigt dabei einen schematischen Schnitt durch einen Sensor der zweiten Ausführungsform senkrecht zur Ebene des Messelektrodensystems entlang einer Linie F- F'. Figur 2b zeigt einen schematischen Schnitt entlang der Linie G-G' des in Fig. 2a gezeigten Sensors. Figur 2c ist ein schematischer Schnitt parallel zur
Messelektrodensystemebene entlang der Linie H-H'. Und Figur 2d ist ein schematischer Schnitt senkrecht zur Messelektrodensystemebene entlang der Linie I-I'.
Die Figuren 3 a bis 3 d sind schematische Schnitte durch den in den Figuren Ia bis Id bzw. den in Figuren 2a bis 2d gezeigten Sensor parallel zur Messelektrodensystemebene in der
Ebene der Prüfelektrode entlang der Linie E-E' bzw. J-J' und zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Prüfelektroden.
Figur 3a zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5. Im Rahmen dieser ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5, umfasst die Prüfelektrode 5 drei lineare Leitungselemente 27, 28, 29, die derart in einer Ebene und miteinander elektrisch leitenden verbunden angeordnet sind, dass dadurch eine Fläche aufgespannt wird. Insbesondere ist das Leitungselement 27 derart senkrecht und mittig zu den zueinander parallel verlaufenden Leitungselementen 28, 29 angeordnet, das dadurch eine H-förmige Prüfelektrode 5 ausgebildet wird. Dabei ist die H-förmige
Prüfelektrode 5 derart bezüglich den Messelektroden 2, 3 des Messelektrodensystems 1 angeordnet, dass die parallel zueinander verlaufenden Leitungselemente 21, 22 senkrecht zu den Elektrodenarmen 26 der Messelektroden 2, 3 und jeweils über den Enden 25 der Elektrodenarme 26 einer Messelektrode 2; 3 angeordnet sind.
Figur 3b zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5. Im Rahmen dieser zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5, umfasst die Prüfelektrode 5 drei lineare Leitungselemente 27, 28, 29, wobei das Leitungselement 27 derart in einem 45°-Winkel zu den zueinander parallel verlaufenden Leitungselementen 28, 29 angeordnet ist, das dadurch eine Fläche aufgespannt und eine
Z-förmige Prüfelektrode 5 ausgebildet wird. Dabei ist die Z-förmige Prüfelektrode 5 derart bezüglich den Messelektroden 2, 3 des Messelektrodensystems 1 angeordnet, dass die parallel zueinander verlaufenden Leitungselemente 28, 29 senkrecht zu den Elektrodenarmen 26 der Messelektroden 2, 3 und jeweils über den Enden 25 der Elektrodenarme 26 einer Messelektrode 2; 3 angeordnet sind. Figur 3c zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5. Im Rahmen dieser dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5, umfasst die Prüfelektrode 5 vier lineare Leitungselemente 27, 28, 29, 30 wobei sich die Leitungselemente 27, 30 derart in einem 90°-Winkel kreuzen und an zwei gegenüberliegenden Seiten die zueinander parallel verlaufenden Leitungselementen 28,
29 kontaktieren, das dadurch eine Fläche aufgespannt und eine römisch-zehn- förmige Prüfelektrode 5 ausgebildet wird. Dabei ist die römisch-zehn- förmige Prüfelektrode 5 derart bezüglich den Messelektroden 2, 3 des Messelektrodensystems 1 angeordnet, dass die parallel zueinander verlaufenden Leitungselemente 28, 29 senkrecht zu den Elektrodenarmen 26 der Messelektroden 2, 3 und jeweils über den Enden 25 der
Elektrodenarme 26 einer Messelektrode 2; 3 angeordnet sind.
Figur 3d zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5. Im Rahmen dieser vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode 5, umfasst die Prüfelektrode 5 sieben lineare Leitungselemente 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 wobei sich die Leitungselemente 28, 29, 30, 31, 32, 33 derart in einem 90°-Winkel zu einer Seite des Leitungselementes 27 angeordnet sind, das dadurch eine Fläche aufgespannt und eine interdigitale Prüfelektrode 5 ausgebildet wird. Wie Figur 3d zeigt, ist die interdigitale Prüfelektrode 5 derart bezüglich den Messelektroden 2, 3 des Messelektrodensystems 1 angeordnet, dass die parallel zueinander verlaufenden
Leitungselemente 28, 29, 30, 31, 32, 33 parallel zu den Elektrodenarmen 26 der Messelektroden 2, 3 angeordnet sind.
Durch die im Zusammenhang mit den Figuren 3 a bis 3 d und die nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 5a bis 5d beschriebenen Ausgestaltungen und
Anordnungen einer erfindungsgemäßen Prüfelektrode kann die Kapazität sowohl bei einer erfindungsgemäßen Kapazitätsmessung zwischen den beiden Messelektroden als auch bei einer Kapazitätsmessung zwischen der Prüfelektrode und einer Messelektrode erhöht werden, wodurch sich vorteilhafterweise die Stärke des gemessenen Signals erhöht. Dabei beruht die Kapazitätserhöhung darauf, dass die Prüfelektrode als eine
Kondensatorplatte fungiert und insbesondere bei einem geringen Abstand, beispielsweise in einem Bereich von > 10 μm bis 50 < μm, zwischen der Prüfelektrode und dem Messelektrodensystem die Kapazität stark erhöht.
Die Figuren 4a bis 4d zeigen schematisch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors aus verschiedenen Ansichten. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Prüfelektrode 5, entsprechend einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5, über das elektrisch leitfähige Material des Trägerelementes 6 und durch eine Aussparung 34 in der isolierenden Schicht 4 mit der Heizvorrichtung 7, insbesondere dem Heizmäander 15, elektrisch leitend verbindbar ist.
Das elektrisch leitfähige Material des Trägerelementes 6 kontaktiert dabei sowohl die Prüfelektrode 5 als auch die Heizvorrichtung 7, sodass aufgrund der im Zusammenhang mit Figur 1 a erläuterten Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Materials des Trägerelementes 6, die Prüfelektrode 5 während der Regeneration des Sensors (beispielsweise bei einer Temperatur von >600 0C) über das elektrisch leitfähige
Material, elektrisch leitend an die Heizvorrichtung 7 angeschlossen ist und daher während der Regeneration des Sensors über die Heizvorrichtung 7 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschaltet werden kann. Vorteilhafterweise kann im Rahmen dieser Ausführungsform daher auf eine Leitung 20, Kontakte 21, 24 und Durchkontaktierungen 22, 23 der Prüfelektrode 5 verzichtet werden.
Figur 4a zeigt dabei einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor der dritten Ausführungsform senkrecht zur Ebene des Messelektrodensystems entlang einer Linie K-K'. Figur 4b zeigt eine schematische Schnitt entlang der Linie L-L' des in Figur 4a gezeigten Sensors. Figur 4c ist ein schematischer Schnitt parallel zur
Messelektrodensystemebene entlang der Linie M-M'. Und Figur 4d ist ein schematischer Schnitt senkrecht zur Messelektrodensystemebene entlang der Linie N-N'.
Im Rahmen einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5, ist die Prüfelektrode 5 über das elektrisch leitfähige Material des
Trägerelementes 6 mit dem Gehäuse des Sensors elektrisch leitend verbindbar. Aufgrund der im Zusammenhang mit Figur 1 a erläuterten Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Materials des Trägerelementes 6, ist die Prüfelektrode 5 - analog zu der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5 - während der Regeneration des Sensors (beispielsweise bei einer Temperatur von >600 0C) über das elektrisch leitfähige Material elektrisch leitend an das Gehäuse des Sensors angeschlossen und kann dadurch zur Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens elektrisch beschaltet werden. Das Gehäuse stellt dabei beispielsweise die Masse des Sensors dar. Auch im Rahmen dieser Ausführungsform kann daher vorteilhafterweise auf eine Leitung 20, Kontakte 21, 24 und Durchkontaktierungen 22, 23 der Prüfelektrode 5 verzichtet werden. Die Figuren 5a bis 5d sind schematische Schnitte durch den in den Figuren 4a bis 4d gezeigten Sensor bzw. einen auf der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5 basierenden Sensor parallel zur Messelektrodensystemebene in der Ebene der Prüfelektrode entlang der Linie O-O'. Die
Figuren 5a bis 5d unterscheiden sich dadurch von den Figuren 3a bis 3d, dass aufgrund der vorteilhaften dritten und vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektrode 5 auf eine Leitung 20 und einen Kontakte 21 der Prüfelektrode 5 verzichtet werden kann.
Figur 6a ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. Im Rahmen dieser Ausführungsform umfasst der Sensor zwei erfindungsgemäße interdigitale Prüfelektroden 5, 5', und zwar eine erste Prüfelektrode 5 und eine zweite Prüfelektrode 5', welche analog zu den vorherigen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors unter dem Messelektrodensystem 1 und unter der darunter angeordnete isolierende Schicht 4 angeordnet sind. Dabei sind die interdigitale Prüfelektroden 5, 5' derart ausgebildet, dass deren Kammrücken 35, 36 im Wesentlichen die gleiche Länge wie die Kammrücken 37, 38 der Messelektroden 2, 3 aufweisen. Darüber hinaus sind die interdigitale Prüfelektroden 5, 5' derart ausgebildet, dass zwischen deren Elektrodenarme 39 im
Wesentlichen die gleichen Abstände vorliegen wie zwischen den Elektrodenarmen 26 der Messelektroden 2, 3.
Die interdigitalen Prüfelektroden 5, 5' sind dabei bezüglich den interdigitalen Messelektroden 2, 3 derart angeordnet, dass jeweils unter einer Messelektrode
(beispielsweise 2) eine Prüfelektrode (beispielsweise 5') mit einer zu der Messelektrode (beispielsweise 2) spiegelverkehrten Ausrichtung der Elektrodenarme 26, 39 angeordnet ist. Dabei liegen die Elektrodenarme 39 der Prüfelektroden (beispielsweise 5') mittig unterhalb den Elektrodenarme 26 der darüber angeordneten Messelektrode (beispielsweise 2). Das heißt die von einer interdigitalen Prüfelektrode 5, 5' aufgespannte
Fläche ist mittig unterhalb der Fläche angeordnet, die von der jeweilig darüber liegenden interdigitalen Messelektrode 2, 3 aufgespannt wird.
Mit anderen Worten, die interdigitalen Prüfelektroden 5, 5' greifen kammartig ineinander ein und bilden dadurch ein interdigitales Prüfelektrodensystem 5, 5', welches bezüglich des Messelektrodensystems 1 eine umgekehrte Anordnung der Elektrodenarme 26, 39 aufweist und mittig unterhalb des Messelektrodensystems 1 angeordnet ist. Zwischen dem interdigitalen Messelektrodensystem und dem interdigitalen Prüfelektrodensystem ist eine erste isolierende Schicht 4 angeordnet.
Um die Materialkosten für die interdigitalen Prüfelektroden 5, 5' gering zu halten, können die Elektrodenarme 39 und Kammrücken 35, 36 der Prüfelektroden 5, 5', wie in Figur 4a gezeigt, schmaler ausgebildet sein als die Elektrodenarme 26 und Kammrücken 37, 38 der Messelektroden 2, 3. Aus den gleichen Gründen, können die Prüfelektroden 5, 5' eine geringere Schichtdicke aufweisen und aus einer Platin-Legierung ausgebildet sein.
Im Rahmen der in Figur 6a gezeigten fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung der Prüfelektroden 5, 5' ist jeweils die erste Prüfelektrode 5 an eine erste Messelektrode 3 und die zweite Prüfelektrode 5' an eine zweiten Messelektrode 2 angeschlossen. Insbesondere ist erste Prüfelektrode 5 über eine metallische Leitung 42 an dem Kontakt 14 der darüber angeordneten ersten Messelektrode 3 mit umgekehrter
Elektrodenarmausrichtung angeschlossen und zweite Prüfelektrode 5' ist über eine metallische Leitung 41 an dem Kontakt 13 der darüber angeordneten zweiten Messelektrode 2 mit umgekehrter Elektrodenarmausrichtung angeschlossen.
Der Anschluss der jeweiligen Prüfelektrode und Messelektrode an einen gemeinsamen
Kontakt wird dadurch gewährleistet, dass die erste isolierende Schicht 4 mindestens eine Aussparung 40 im Bereich der Kontakte 13, 14 aufweist. Durch diese Aussparung/en 40 wird die unter der ersten isolierenden Schicht 4 angeordneten Leitung (beispielsweise 41 bzw. 42) der jeweiligen Prüfelektrode (beispielsweise 5' bzw. 5) mit der über der ersten isolierenden Schicht 4 angeordnete Leitung (beispielsweise 11 bzw. 12) der darüber liegenden, umgekehrt ausgerichteten Messelektrode (beispielsweise 2 bzw. 3) und/oder mit dem Kontakt (beispielsweise 13 bzw. 14) der darüber liegenden, umgekehrt ausgerichteten Messelektrode (beispielsweise 2 bzw. 3) elektrisch leitend verbunden. Die Kontakte 13, 14 der Messelektroden 2, 3 können im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl auf der ersten isolierenden Schicht 4 als auch auf einer unter den Prüfelektroden
5, 5' angeordneten zweiten isolierenden Schicht 4' angeordnet sein. Im Rahmen der in Figur 6a gezeigten Ausführungsform sind die Kontakte 13, 14 der Messelektroden 2, 3 auf einer unter den Prüfelektroden 5, 5' und Leitungen 41, 42 angeordneten zweiten isolierenden Schicht 4' angeordnet. Unter dieser zweiten isolierenden Schicht 4' ist im Rahmen der in Figur 6a gezeigten Ausführungsform ein Trägerelement 6 angeordnet. Eine derartige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors hat den Vorteil, dass durch die zusätzlichen interdigitalen Prüfelektroden 5, 5' die elektrische Kapazität zwischen den Messelektroden 2, 3 erheblich vergrößert wird. Dadurch wird die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich erhöht. Im Fall eines Defektes, beispielsweise aufgrund von Vergiftungserscheinungen, der Messelektroden 2,
3 kann daher bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Verkleinerung der Kapazität zwischen den Messelektroden 2, 3 mit einer hohen Messgenauigkeit direkt auf die verlorene Empfindlichkeit des Sensors geschlossen werden, welche von anschließend von einem Steuergerät kompensiert werden kann.
Figur 6b ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei erfindungsgemäßen interdigitalen Prüfelektroden. Die in Figur 6b gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 6a gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Elektrodenarme 39 der interdigitalen Prüfelektroden 5, 5' kürzer als die
Elektrodenarme 26 der Messelektroden 2, 3 sind. Diese Ausführungsform hat sich unter anderem bei einer Herstellung des Sensors über Siebdruckverfahren als vorteilhaft herausgestellt.
Figur 6c ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei erfindungsgemäßen Prüfelektroden, die sich von den in Figur 6a gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheiden, dass nur eine der Prüfelektroden 5, 5' eine interdigitale Prüfelektrode 5 ist und die andere Prüfelektrode 5' eine flächige keramische Prüfelektrode 5' ist, welche im Rahmen dieser Ausführungsform gleichzeitig das
Trägerelement 6 darstellt.
Die Ausgestaltung, Anordnung und Kontaktierung der interdigitalen Prüfelektrode 5 ist im Rahmen dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors analog zu der im Zusammenhang mit Figur 6a beschriebenen Ausgestaltung, Anordnung und
Kontaktierung.
Wie Fig. 6c zeigt, ist im Rahmen dieser sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontaktierung einer Prüfelektrode 5' eine der Messelektroden 2 - anstatt mit einer zweiten interdigitalen Prüfelektrode - durch eine Aussparung 43 in der ersten und zweiten isolierenden Schicht 4, 4' über die Leitung 11 sowie eine zusätzliche Leitung 44 mit einem unter der zweiten isolierenden Schicht 4' angeordneten Trägerelement 6 aus einem elektrisch leitfähigen Material verbunden. Aufgrund der im Zusammenhang mit Figur 1 a erläuterten Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Materials des Trägerelementes 6, kann das Trägerelement 6 bei hohen Temperaturen, wie sie bei der Regeneration des Sensors auftreten, beispielsweise von > 600 0C als
Prüfelektrode 5', die den beiden Messelektroden 2, 3 flächig untergelegt ist, fungieren. Dies liegt darin begründet, dass bei derartigen Temperaturen der spezifische elektrische Widerstand eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials vergleichsweise klein ist und dessen ohmscher Widerstand daher gegenüber dem ohmschen Widerstand der, beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgebildeten, isolierenden Schicht vernachlässigt werden kann. Vorteilhafterweise lässt sich durch diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors das Material einer der beiden Prüfelektroden einsparen und es sind keine zusätzlichen Prozessschritte im Vergleich mit einem herkömmlichen Sensors ohne Prüfelektrode notwendig.
Diese Ausführungsform sowie die im Zusammenhang mit Figur 7b erläuterte Ausführungsform haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, da mit einem derartigen Sensor nicht nur die Funktionsfähigkeit der Messelektroden sondern auch die Funktionsfähigkeit/Unversehrtheit einer Heizerisolation und/oder Temperaturmessvorrichtungsisolation in einem
Eigendiagnoseverfahren überprüft werden kann.
Die Funktionsfähigkeit/Unversehrtheit der isolierenden Schicht 4 und/oder der Heizerisolation und/oder Temperaturmessvorrichtungsisolation eines Sensors zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom, umfassend ein auf der Oberfläche des
Sensors angeordnetes Messelektrodensystem 1 mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden 2, 3, eine unter dem Messelektrodensystem 1 angeordnete isolierende Schicht 4, eine unter der isolierenden Schicht 4 angeordnete flächige Prüfelektrode 5; 5' aus einem elektrisch leitfähigen Material, die über eine Durchkontaktierung und/oder eine metallische Leitung 44, beispielsweise durch eine
Aussparung 40 in der isolierenden Schicht 4, an eine der Messelektroden 2, 3 angeschlossen ist, eine unter der flächigen Prüfelektrode 5; 5' angeordnete Heizvorrichtung 7 und/oder Temperaturmessvorrichtung, die durch eine Heizvorrichtungsisolation und/oder Temperaturmessvorrichtungsisolation von den Messelektroden 2, 3 und der Prüfelektrode 5; 5' elektrisch isoliert ist, kann erfindungsgemäß durch ein Verfahren bestimmt werden, in dem in einem ersten Verfahrensschritt an die Messelektrode 2 an der die Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist und an die Heizvorrichtung 7 oder Temperaturmessvorrichtung, derart eine Spannung angelegt wird, dass der negative Pol der Spannung an der Messelektrode 2 anliegt, an der die Prüfelektrode 5, 5' angeschlossen ist, und in einem zweiten Verfahrensschritt an die Messelektrode 2 an der die Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist und an die
Heizvorrichtung 7 oder Temperaturmessvorrichtung, derart eine Spannung angelegt wird, dass der positive Pol der Spannung an der Messelektrode 2 anliegt, an der die Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist, und in einem dritten Verfahrensschritt an die Messelektrode 2 an der die Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist und an einer Messelektrode 3 an der keine Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist, derart eine Spannung angelegt wird, dass der negative Pol der Spannung an der Messelektrode 2 anliegt, an der keine Prüfelektrode 5; 5' angeschlossen ist, wobei jeweils der elektrische Stromfluss oder Spannungsabfall zwischen der jeweiligen Messelektrode 2, 3 und der Heizvorrichtung 7 oder Temperaturmessvorrichtung oder zwischen den beiden Messelektroden 2, 3 gemessen und als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors, insbesondere der isolierenden Schicht 4 und/oder der Isolation der Heizvorrichtung und/oder der Isolation der Temperaturmessvorrichtung, ausgegeben wird.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte dieses erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass im Fall einer fehlerhaften Heizerisolation das elektrisch leitfähige Material der Prüfelektrode, welche beispielsweise auch das Trägerelement 7 darstellt, zunächst leicht reduziert wird, sich dadurch eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit ausbildet und die weiteren Prüfschritte mit erhöhter Empfindlichkeit durchgeführt werden können. Da die Kapazität der Messelektroden 2, 3 im Picofaradbereich liegt, kann diese im Rahmen des erfmdungemäßen Verfahrens vernachlässigt und die Funktionsfähigkeit/Unversehrtheit der isolierenden Schicht 4 diagnostiziert werden.
Figur 6d ist ein Schaltbild für die in den Figur 6a, 6b und 6c gezeigten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors. Die Anschlüsse Al und A2 entsprechen den in Figur 4a und 4b gezeigten Kontakten 13 und 14. Die Widerstände Rl und R4 entsprechen jeweils der Summe des ohmschen Widerstands einer Leitung 11, 12 einer Messelektrode 3, 2 und des ohmschen Widerstands der dazugehörigen Messelektrode 3, 2 als solches. Die Widerstände R2 und R3 entsprechen jeweils der Summe des ohmschen Widerstands einer Leitung 32, 33 einer Prüfelektrode 5, 5' und des ohmschen Widerstands der dazugehörigen Prüfelektrode 5, 5' als solches. Der
Widerstand R5 entspricht dem ohmschen Widerstand zwischen den beiden Messelektroden 2, 3. Die Widerstände R6 und R7 entsprechen jeweils den ohmschen Widerständen zwischen einer Messelektrode 2, 3 und der nicht dazugehörigen, das heißt damit nicht verbundenen, Prüfelektrode 5, 5'. Insofern außer der isolierenden Schicht 4 keine weiteren Schichten zwischen den Messelektroden 2, 3 und den Prüfelektroden 5, 5' angeordnet sind, entsprechen Widerstände R6 und R7 dem ohmschen Widerstand der isolierenden Schicht 4. Die Kapazität Cl gibt die elektrische Kapazität zwischen den beiden Messelektroden 2, 3 wieder. Die elektrischen Kapazitäten C2 und C3 entsprechen jeweils den elektrischen Kapazitäten zwischen einer Messelektrode 2, 3 und nicht der dazugehörigen Prüfelektrode 5, 5'.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Eigendiagnose, beispielsweise zur Bestimmung der Güte und Unversehrtheit der Messelektroden, eines Sensors zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, beispielsweise eines erfindungsgemäßen Sensors, durch eine Kapazitätsbestimmung, macht es sich zu nutzen, dass durch einen erfindungsgemäßen Anschluss von zwei Prüfelektroden die elektrische Kapazität zwischen den
Messelektroden erhöht wird, so dass diese bei einer Messung mit einer Wechselspannung zwischen den Anschlüssen Al und A2 den maßgeblichen Anteil der Gesamtimpedanz einnimmt.
Über die Gleichungen Z = [z] = ΛJR2 + X2 und Xc = — co - C 2π / C ergibt sich unter der erfindungsgemäßen Annahme, dass bei Temperaturen von > 600 0C, die der Regenerationstemperatur entsprechen, die Widerstände Rl, R2, R3 und R4 sehr klein gegenüber R5, R6 und R7 sind und daher vernachlässigt werden können und die RC-Glieder C1/R5 mit C2/R6 und C3/R7 praktisch parallel geschaltet sind, die Formel 1 :
Figure imgf000018_0001
Unter der erfindungsgemäßen Annahme, dass die ohmschen Widerstände R5, R6, R7 über die Einsatzzeit, bzw. über die Diagnosezeit, nur von der Temperatur abhängig sind und damit bei einer bestimmten, gleich bleibenden Temperatur konstant sind, ergibt sich weiterhin die Formel 2:
Figure imgf000019_0001
in der KR der konstante, ohmsche Anteil bei einer konstanten Temperatur ist.
Formel 2 lässt sich weiterhin zu Formel 3 :
(K V JL J {2πf{a + -J C2 + a)j f
umformen.
Unter Anwendung dieser Formeln ist es somit durch eine Messung mit einer Wechselspannung, über das Einhalten einer Zielimpedanz, möglich die Integrität/Beschaffenheit/Güte/Unversehrtheit der Messelektroden zu bestimmen. Anstelle einer Ermittlung der Gesamtimpedanz ist auch die Bestimmung der
Integrität/Beschaffenheit/Güte/Unversehrtheit der Messelektroden durch eine Messung des Phasenwinkels zischen Strom und Spannung möglich.
Figur 5a ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Sensors. Im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Prüfelektrode aus einem Metall oder einem leitfähigen Material in Form einer flächigen (vollflächigen) Prüfelektrode 5 ausgebildet. Dabei ist die flächige Prüfelektrode 5 derart unter einer ersten isolierenden Schicht 4, auf der ein Messelektrodensystem 1 mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden 2, 3 angeordnet ist, ausgebildet und angeordnet, dass die flächige
Prüfelektrode 5 eine in etwa gleich große Fläche wie das Messelektrodensystem 1 aufweist und/oder mittig unter dem Messelektrodensystem 1 angeordnet ist. Die Prüfelektrode 5 ist über eine ebenfalls unter der isolierenden Schicht 4 angeordnete metallische Leitung 32 an eine der Messelektroden 2 angeschlossen. Insbesondere ist die Prüfelektrode 5 über eine metallische Leitung 41 an einem Kontakt 13 einer
Messelektrode 2 angeschlossen. Dabei ist zwischen die Prüfelektrode 5 und die Messelektrode 2 kein Strom- und/oder Spannungsmessinstrument geschaltet. Der Anschluss der Prüfelektrode 5 und Messelektrode 2 an einen gemeinsamen Kontakt wird, wie bereits im Zusammenhang mit Figur 6a detailliert erläutert, dadurch gewährleistet, dass die erste isolierende Schicht 4 mindestens eine Aussparung 40 im Bereich des Kontakts 13 aufweist. Darüber hinaus zeigt Figur 7a, dass die Kontakte 13, 14 der Messelektroden 2, 3 auf einer unter der Prüfelektrode 5 und Leitung 41 angeordneten zweiten isolierenden Schicht 4' angeordnet sind. Unter dieser zweiten isolierenden
Schicht 4' ist auch im Rahmen dieser Ausführungsform ein Trägerelement 6 angeordnet.
Figur 7b ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, welche sich von der in Figur 6c gezeigten Ausführungsform, dadurch unterscheidet, dass der Sensor nur eine flächige, keramische Prüfelektrode 5 umfasst.
Figur 7c ist ein Schaltbild für die in den Figuren 7a und 7b gezeigten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors. Die Anschlüsse Al und A2 entsprechen den in Figur 5a und 5b gezeigten Kontakten 13 und 14. Die Widerstände Rl und R2 entsprechen jeweils der Summe des ohmschen Widerstands einer Leitung 11, 12 einer Messelektrode 3, 2 und des ohmschen Widerstands der dazugehörigen Messelektrode 3, 2 als solches. Der Widerstand R3 entspricht der Summe des ohmschen Widerstands der Leitung 32 der Prüfelektrode 5 und des ohmschen Widerstands der Prüfelektrode 5 als solches. Der Widerstand R4 entspricht dem ohmschen Widerstand zwischen den beiden
Messelektroden 2, 3. Die Widerstände R5 und R6 entsprechen jeweils den ohmschen Widerständen zwischen einer Messelektrode 2, 3 und der Prüfelektrode 5. Insofern außer der isolierenden Schicht 4 keine weiteren Schichten zwischen den Messelektroden 2, 3 und der Prüfelektroden 5 angeordnet sind, entsprechen Widerstände R5 und R6 dem ohmschen Widerstand der isolierenden Schicht 4.Die Kapazität Cl gibt die elektrische
Kapazität zwischen den beiden Messelektroden 2, 3 wieder. Die elektrischen Kapazitäten C2 und C3 entsprechen jeweils den elektrischen Kapazitäten zwischen einer Messelektrode 2, 3 und der Prüfelektrode 5.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Eigendiagnose, beispielsweise zur Bestimmung der
Güte und Unversehrtheit der Messelektroden, eines Sensors zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, beispielsweise eines erfindungsgemäßen Sensors, durch eine Kapazitätsbestimmung, macht es sich zu nutzen, dass auch durch einen erfindungsgemäßen Anschluss von einer Prüfelektroden die elektrische Kapazität, insbesondere die elektrische Kapazität C3, zwischen den Messelektroden erhöht wird, so dass diese bei einer Messung mit einer Wechselspannung zwischen den Anschlüssen Al und A2 den maßgeblichen Anteil der Gesamtimpedanz einnimmt.
Über die Gleichungen Z = \Z \ = V R2 + X2 und Xr = =
L J c co - C 2π - / - C ergibt sich, da R5 = R 1/2/3 und 1/C2 « R5, die Formel 1
Figure imgf000021_0001
Unter den erfindungsgemäßen Annahme, dass
- bei Temperaturen von > 600 0C, die der Regenerationstemperatur entsprechen, die Widerstände Rl, R2, und R3 sehr klein gegenüber R4 und R6 sind und daher vernachlässigt werden können;
- die ohmschen Widerstände R4 und R6 über die Einsatzzeit, bzw. über die Diagnosezeit, nur von der Temperatur abhängig sind und damit bei einer bestimmten, gleich bleibenden Temperatur konstant sind; ergibt sich weiterhin die Formel 2:
Figure imgf000021_0002
in der KR der konstante ohmsche Anteil bei einer konstanten Temperatur ist.
Formel 2 lässt sich weiterhin zu Formel 3 :
Figure imgf000021_0003
umformen. Unter Anwendung dieser Formeln ist es somit durch eine Messung mit einer Wechselspannung unter Ermittlung der Kapazität Cl + C3 möglich die die Integrität/Beschaffenheit/Güte/Unversehrtheit der Messelektrode 3, an der keine Prüfelektrode 5 angeschlossen ist, zu bestimmen. Anstelle einer Ermittlung der
Gesamtimpedanz ist auch hier die Bestimmung der Integrität/Beschaffenheit/Güte/Unversehrtheit der Messelektrode 3, an der keine Prüfelektrode 5 angeschlossen ist, durch eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung möglich.
Figur 8 ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer unter dem Messelektrodensystem angeordneten Schicht 45 aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ Wie Figur 8 zeigt, ist unter der Schicht 45 eine isolierende Schicht 4 angeordnet. Unter dieser isolierenden Schicht 4 ist mindestens eine, nicht dargestellte erfindungsgemäße Prüfelektrode entsprechend einer der vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ausgebildet, angeordnet und/oder angeschlossen. Die Fläche der Schicht 45 aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ entspricht erfindungsgemäß in etwa der des Messelektrodensystems 1. Zweckmäßigerweise ist Schicht 45 aus einem Material mit einer hohen relativen
Permitivität εreiativ mittig unter dem Messelektrodensystem 1 angeordnet. Vorteilhafterweise kann durch eine derartige Schicht 45 aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ das Signal bei der Eigendiagnose des Sensors verbessert werden. Insofern das Material mit einer hohen relativen Permitivität εrelativ eine bekannten Temperaturabhängigkeit der relativen Permitivität εreiatiV(T) aufweist, kann zudem vorteilhafterweise über die Änderung der Kapazität die Temperatur bestimmt werden, wobei die Messelektroden 2, 3 gleichzeitig über eine Widerstandsmessung weiter charakterisiert werden.
Figur 9 ist eine schematische Draufsicht auf die Messelektrodensystemebene einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei Streifen 46, 47 aus einem, beispielsweise metallischen, elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Material, die über den Enden 25 der Elektrodenarme 26 der Messelektroden 2, 3 und zu den Elektrodenarmen 26 senkrecht angeordnet sind. Dabei sind die beiden Streifen 46, 47 derart über den Enden 25 der Elektrodenarme 26 der Messelektroden 2, 3 angeordnete, dass jeweils der über den Enden 25 der Elektrodenarme 26 der einen Messelektrode (beispielsweise 2 bzw. 3) angeordnete Streifen (beispielsweise 46 bzw. 47) elektrisch leitend über einen Kontakt (beispielsweise 48 bzw. 49) mit der anderen Messelektrode (beispielsweise 3 bzw. 2) verbunden ist. Die Streifen 46, 47 sind dabei zu den Elektrodenarmen 26, mit denen sie nicht über einen Kontakt 48, 49 elektrisch leitend verbunden sind, derart beabstandet angeordnet, dass die Streifen 46, 47 in einem Abstand von > 10 μm bis 50 < μm parallel zu der Oberfläche der Elektrodenarme 26 verlaufen. Die Streifen 46, 47 fungieren dabei als Kondensatorplatten und führen, aufgrund des geringen Abstands, zu einer starken Erhöhung der Gesamtkapazität. Die Gesamtkapazität ergibt sich dabei durch Addition der Kapazität zwischen den beiden Messelektroden 2, 3 und der Kapazitäten zwischen den Streifen (beispielsweise 46 bzw. 47) und den jeweils an der anderen Messelektrode (beispielsweise 2 bzw. 3), das heißt am anderen Pol, angeschlossenen Elektrodenarmen 26.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Eigendiagnose eines
Sensors zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und/oder mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Prüfelektrode und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Heizvorrichtung und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Temperaturmessvorrichtung in dem die Kapazität zwischen zwei Messelektroden und/oder zwischen einer Messelektrode und einer Prüfelektrode und/oder zwischen einer Messelektrode und der Heizvorrichtung und/oder zwischen einer Messelektrode und der Temperaturmessvorrichtung unter Anlegen einer Wechselspannung oder Gleichspannung an zwei Messelektroden und/oder eine Messelektrode und eine Prüfelektrode und/oder eine Messelektrode und eine Heizvorrichtung und/oder eine Messelektrode und eine Temperaturmessvorrichtung bestimmt und als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors ausgegeben wird. Insbesondere dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer oder mehrerer Messelektroden und/oder einer oder mehrerer isolierender Schichten eines Sensors.
Für den Begriff „Eigendiagnose eines Sensors" wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung auch der Begriff „Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Sensors" verwendet.
Dass das Messelektrodensystem auf der Oberfläche des Sensors angeordnet ist, bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, dass die Messelektroden nicht eine oberhalb der Messelektroden angeordnete dünne Schicht, beispielsweise eine Schutzschicht, aufweisen können.
Die Formulierung „unter dem Messelektrodensystem angeordnet" dient im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausschließlich der Angabe der Reihenfolge der in dem Sensor angeordneten Elemente und ist nicht dahingehend auszulegen, dass die vorliegende Erfindung nur Sensoren betrifft die „oben" ein Messelektrodensystem und beispielsweise „unten" eine Temperaturmessvorrichtung aufweisen. Das heißt, Sensoren, die beispielsweise ein auf einer Außenfläche angeordnetes Messelektrodensystem und eine über/neben dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und eine über/neben der isolierenden Schicht angeordnete Prüfelektrode umfassen, sind ebenso Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass die Kapazität unter anderem von der Anzahl, der Länge und der Breite der Elektrodenarme der vermessenen
Messelektroden, von gegebenenfalls auf der Oberfläche des Messelektrodensystem abgelagerten Aschen (nicht durch die Regeneration des Sensors entfernbare Verbindungen und Elemente) sowie von den Dicken der isolierenden Schicht abhängt. Somit kann eine Veränderung einer Messelektrode, beispielsweise durch Elektrodenarme, die von der Messelektrode durch mechanische oder chemische Einwirkungen abgelöste wurden, durch aus einer thermischen Überlastung resultierende Veränderungen der Breite der Elektrodenarme und/oder des Abstandes zwischen den Elektrodenarmen, und/oder durch Ablagerung von Aschen) durch eine Änderung der Kapazität zwischen der veränderten Messelektrode und einer weiteren Messelektrode oder einer Prüfelektrode oder einer Heizvorrichtung oder einer Temperaturmessvorrichtung festgestellt werden. Bei einer Kapazitätsbestimmung zwischen zwei Messelektroden im Partikelfreien Zustand des Sensors, können bei einer Änderung der Kapazität zwischen den Messelektroden schon Rückschlüsse auf einen möglichen Defekt des Messelektrodensystems gezogen werden. Die Diagnose der Messelektroden kann dabei beispielsweise aus dem Spannungsverlauf während der Regeneration des Sensors ermittelt werden.
Durch eine Messung der einzelnen Messelektroden ist hingegen eine detaillierte Fehleranalyse möglich.
Daher wird im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in einem ersten Verfahrensschritt die Kapazität zwischen einer Messelektrode und einer Prüfelektrode oder Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung bestimmt; und in einem zweiten Verfahrensschritt die Kapazität zwischen einer anderen Messelektrode und einer Prüfelektrode oder
Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung bestimmt. Dabei wird beispielsweise die Symmetrie der Kapazität zwischen der einen Messelektrode und der Prüfelektrode oder Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung zur Kapazität zwischen der anderen Messelektrode und der Prüfelektrode oder Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors, beispielsweise des Messelektrodensystems, insbesondere einer Messelektrode, ausgegeben. Das heißt, die Kapazitätsdifferenz der Kapazität zwischen der einen Messelektrode und der Prüfelektrode oder Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung und der Kapazität zwischen der anderen Messelektrode und der Prüfelektrode oder Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung wird als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors, beispielsweise des Messelektrodensystems, insbesondere einer Messelektrode, ausgegeben.
Die Kapazitätsbestimmung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung über eine Wheatstonesche Brückenschaltung erfolgen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren während einer Regenerationsphase des Sensors durchgeführt. Beispielsweise erfolgt die Kapazitätsbestimmung bei einer konstanten Temperatur in einem Bereich von > 200 0C bis < 750 0C, insbesondere von > 450 0C bis < 750 0C. Beispielsweise wird/werden die Kapazität/en über eine Messung der Gesamtimpedanz und/oder eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung bestimmt.
Die Frequenz der Wechselspannung kann < 105 Hz, beispielsweise < 10 Hz, insbesondere < 300 Hz, betragen.
Zweckmäßigerweise wird der Sensor beim Unterschreiten einer maximalen Kapazitätsdifferenz als nicht funktionsfähig gemeldet. Da bei einer kleinen Kapazitätsdifferenz mit gleichzeitig verringerten Kapazitäten zwischen den Messelektroden ein Doppelfehler vorliegen kann, der aus zwei verkleinerten/defekten
Kammelektroden resultiert, wird im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Sensor auch bei einer geringen Kapazitätsdifferenz und gleichzeitigem Unterschreiten eines minimalen Kapazitätswertes zwischen den Messelektroden als nicht funktionsfähig gemeldet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden; und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht; und mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete Prüfelektrode dadurch gekennzeichnet, dass - die Prüfelektrode(n) mindestens ein gebogenes Leitungselement und/oder mindestens zwei lineare Leitungselemente umfasst, die derart in einer Ebene und miteinander elektrisch leitenden verbunden angeordnet sind, dass dadurch eine Fläche aufgespannt wird.
Eine „isolierende Schicht" im Sinn der vorliegenden Erfindung weist bei
Raumtemperatur eine spezifische Leitfähigkeit von < 10"8 S/m und eine relative Permitivität εreiatlv von < 101 und bei einer Temperatur von > 600 0C eine spezifische Leitfähigkeit von < 106 S/m (und eine relative Permitivität εreiatlv von < 103) auf. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße isolierende Schicht aus einem isolierenden Material, beispielsweise einer Keramik oder einem Glas, insbesondere Aluminiumdioxid ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die isolierende Schicht eine Schichtdicke in einem Bereich von > 2 μm bis < 200 μm, beispielsweise von > 10 μm bis < 100 μm, insbesondere von > 20 μm bis < 40 μm, auf.
Vorzugsweise ist/sind das/die Leitungselement/e der Prüfelektrode derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass eine interdigitale Prüfelektrode oder eine S-, T-, Z-, N-, H-, X-
, M-, W-, E-, K-, Y-, C-, V-, U-, A-, O-, D-, B-, römisch-eins-, römisch-zwei-, römisch- drei-, römisch- fünf-, oder römisch-zehn- förmige Prüfelektrode ausgebildet wird.
Im Rahmen einer Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Sensors, umfasst der Sensor zwei interdigitale Prüfelektroden.
Beispielsweise ist/sind die interdigitale Prüfelektrode/n derart ausgebildet, dass die Länge des Kammrückens der Prüfelektrode und/oder der Abstand zwischen den Elektrodenarmen der Prüfelektrode im wesentlichen der Länge des Kammrückens einer Messelektrode und/oder dem Abstand zwischen den Elektrodenarmen einer
Messelektrode entspricht, wobei ein Kammrücken einer interdigitalen Elektrode ein Leitungselemente ist, an dem zwei oder mehr, weitere, als Elektrodenarme bezeichnete Leitungselemente elektrisch leitend und in einem oder mehreren Winkeln angeordnet sind. Beispielsweise sind an einem Kammrücken zwei oder mehr Elektrodenarme in einem rechten Winkel zu einer Seite des Kammrückens angeordnet. Unter „im
Wesentlichen" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Abweichungen, die bis zu 30 %, beispielsweise bis zu 20 %, insbesondere bis zu 15 %, betragen, verstanden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes sind die Elektrodenarme der interdigitalen Prüfelektrode/n kürzer als die Elektrodenarme der Messelektroden und/oder die Kammrücken und/oder Elektrodenarme der interdigitalen Prüfelektrode/n sind schmaler als die Kammrücken und/oder Elektrodenarme der Messelektroden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine Prüfelektrode über eine metallische
Leitung und/oder ein elektrisch leitfähiges Material an eine der Messelektroden, beispielsweise an eine Leitung und/oder einen Kontakt einer der Messelektroden angeschlossen sein. Beispielsweise kann eine Prüfelektrode dabei durch eine Aussparung in einer zwischen der Messelektrode und der Prüfelektrode angeordneten isolierenden Schicht über eine metallische Leitung und/oder ein elektrisch leitfähiges Material an eine der Messelektroden angeschlossen sein. Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jeweils eine erste Prüfelektrode an eine erste Messelektroden und eine zweite Prüfelektrode an eine zweite Messelektrode angeschlossen ist.
Darüber hinaus kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Prüfelektrode über eine metallische Leitung und/oder ein elektrisch leitfähiges Material an das Gehäuse des Sensors angeschlossen sein. Beispielsweise kann eine Prüfelektrode über einen zusätzlichen Kontakt auf der Außenseite des Sensors, der durch eine Durchkontaktierung mit der Prüfelektrode elektrisch leitend verbunden ist, an das Gehäuse des Sensors angeschlossen werden. Vorzugsweise wird die Prüfelektrode, wenn der Sensor ein Trägerelement aus einem elektrisch leitfähigen Material umfasst von dem die Prüfelektrode nicht, beispielsweise durch eine isolierende Schicht, elektrisch isoliert ist, über das elektrisch leitfähige Material des Trägerelementes, beispielsweise während einer Regenerationsphase des Sensors, an das Gehäuse des Sensors angeschlossen.
Üblicherweise ist das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Sensors geerdet. Daher kann im Rahmen dieser Ausführungsform die Prüfelektrode geerdet sein. Durch eine Erdung der Prüfelektrode wird vorteilhafterweise eine wirksame Abschirmung der kapazitiven und resistiven Einkopplung der vorzugsweise getaktet betriebenen Heizvorrichtung in die Messelektroden vermieden.
Ferner kann ein erfindungsgemäßer Sensor eine Heizvorrichtung und/oder Temperaturmessvorrichtung umfassen. Dabei kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Prüfelektrode über eine innerhalb des Sensors angeordnete metallische Leitung und/oder ein innerhalb des Sensors angeordnetes elektrisch leitfähiges Material an die Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung angeschlossen sein. Beispielsweise kann eine Prüfelektrode über eine Durchkontaktierung an die Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung angeschlossen werden. Vorzugsweise wird die Prüfelektrode, wenn der Sensor ein Trägerelement aus einem elektrisch leitfähigen Material umfasst, von dem die Prüfelektrode nicht, beispielsweise durch eine isolierende Schicht, elektrisch isoliert ist, über das elektrisch leitfähige Material des Trägerelementes, welches aufgrund einer Aussparung in der isolierenden Schicht der Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung die Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung kontaktiert, beispielsweise während einer Regenerationsphase des Sensors, an die Heizvorrichtung oder
Temperaturmessvorrichtung angeschlossen. Zudem kann eine Prüfelektrode im Rahmen der vorliegenden Erfindung über eine außerhalb des Sensors verlaufende, metallische Leitung und/oder ein außerhalb des Sensors angeordnetes elektrisch leitfähiges Material an eine Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung angeschlossen sein. Beispielsweise kann eine Prüfelektrode über einen zusätzlichen Kontakt auf der Außenseite des Sensors, der durch eine Durchkontaktierung mit der Prüfelektrode elektrisch leitend verbunden ist, an eine Heizvorrichtung oder Temperaturmessvorrichtung, beispielsweise im Anfangsbereich eines Kabelbaums, angeschlossen werden.
Die Messelektroden und/oder die Prüfelektrode/n und/oder die metallische/n Leitung/en können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Messelektroden aus Platin und/oder die Prüfelektrode/n aus einer Platin-Legierung ausgebildet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete flächige Prüfelektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Metall ausgebildet ist und - über eine metallische Leitung und/oder ein elektrisch leitfähiges Material an das
Gehäuse des Sensors oder an eine Temperaturmessvorrichtung angeschlossen ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende Schicht und - eine unter der/den isolierenden Schicht/en angeordnete flächige Prüfelektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Metall ausgebildet ist und über eine metallische Leitung an eine der Messelektroden, beispielsweise über eine Leitung einer Messelektrode oder über einen Kontakt einer Messelektrode, oder an eine Heizvorrichtung oder angeschlossen ist, wobei kein Strommessinstrument durch die metallische Leitung zwischen die Prüfelektrode und die Messelektroden oder die Heizvorrichtung geschaltet ist.
Im Rahmen aller Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors liegt der Abstand zwischen der Ebene des Messelektrodensystems und der von den Leitungselementen der Prüfelektrode/n aufgespannte Fläche oder der Fläche der flächigen Prüfelektrode vorzugsweise in einem Bereich von > 2 μm bis 50 < μm, beispielsweise von > 5 μm bis < 30 μm, insbesondere von > 10 μm bis < 10 μm. Vorteilhafterweise erhöht sich die Kapazität des Messelektrodensystem durch einen derartig geringen Abstand zwischen
Messelektrodensystem und Prüfelektrode/n sowohl bei einer Kapazitätsbestimmung von der einen Messelektrode zu einer anderen Messelektrode als auch bei einer Kapazitätsbestimmung von einer der Messelektroden zu einer Prüfelektrode.
Im Rahmen aller Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors kann die von den
Leitungselementen der Prüfelektrode/n aufgespannte Fläche oder die Fläche der flächigen Prüfelektrode in etwa der Fläche des Messelektrodensystems entsprechen.
Darüber hinaus kann im Rahmen aller Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors die von den Leitungselementen der Prüfelektrode/n aufgespannte Fläche oder die
Fläche der flächigen Prüfelektrode mittig unter der Fläche des Messelektrodensystems angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann im Rahmen aller Ausführungsformen weiterhin eine Schicht aus einem Material mit einer relativen Permitivität εreiativ von > 10 , beispielsweise von > 10 , insbesondere von > 105 umfassen, welche zwischen dem Messelektrodensystem und einer ersten darunter angeordneten isolierenden Schicht angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Fläche der Schicht aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ in etwa gleich groß oder größer wie/als die Fläche des Messelektrodensystems. Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „in etwa" Abweichungen, die bis zu 30 %, beispielsweise bis zu 20 %, insbesondere bis zu 15 %, betragen, verstanden. Zweckmäßigerweise ist Schicht aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ mittig unter dem Messelektrodensystem angeordnet. Beispielsweise kann die Schicht aus einem Material mit einer hohen relativen Permitivität εreiativ aus Bariumtitanat (BaTiOs), Strontiumtitanat (SrTiOs), Calciumtitanat (CaTiOs), Bariumzikonat (BaZrOs), Strontiumzirkonat (SrZrO3) und/oder Calciumzirkonat (CaZrO3) ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann im Rahmen aller Ausführungsformen weiterhin zwei Streifen aus einem, beispielsweise metallischen, elektrisch leitenden oder leitfähigen Material umfassen, die über den Enden der Elektrodenarme der Messelektroden und zu den Elektrodenarmen senkrecht angeordnet sind, wobei jeweils der über den Enden der Elektrodenarme der einen Messelektrode angeordnete Streifen elektrisch leitend mit der anderen Messelektrode verbunden ist.
Vorzugsweise sind die Streifen dabei zu den Elektrodenarmen, mit denen sie nicht über einen Kontakt elektrisch leitend verbunden sind, derart beabstandet angeordnet, dass die Streifen in einem Abstand von > 10 μm bis 50 < μm, beispielsweise von > 20 μm bis < 40 μm, insbesondere von > 5 μm bis < 15 μm, parallel zu der Oberfläche der Elektrodenarme verlaufen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren, insbesondere Ruß-Partikel-Sensoren für „on board diagnose" (OBD), und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, oder einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung oder eines Ofens, und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters, beispielsweise eines Diesel-Partikel-Filters (DPF), oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Eigendiagnose eines Sensors zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3) und mindestens eine unter dem Messelektrodensystem (1) angeordnete isolierende Schicht (4) und/oder mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Prüfelektrode (5, 5') und/oder - eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Heizvorrichtung (7) und/oder eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Temperaturmessvorrichtung in dem eine Kapazität - zwischen zwei Messelektroden (2, 3) und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und einer Prüfelektrode (5; 5') und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und der Heizvorrichtung (7) und/oder zwischen einer Messelektrode (2; 3) und der Temperaturmessvorrichtung unter Anlegen einer Wechselspannung oder Gleichspannung an - zwei Messelektroden (2, 3) und/oder eine Messelektrode (2; 3) und eine Prüfelektrode (5; 5') und/oder eine Messelektrode (2; 3) und eine Heizvorrichtung (7) und/oder eine Messelektrode (2; 3) und eine Temperaturmessvorrichtung bestimmt und als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Kapazität zwischen einer Messelektrode (2; 3) und einer Prüfelektrode (5; 5') oder Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung bestimmt wird; und in einem zweiten Verfahrensschritt die Kapazität zwischen einer anderen Messelektrode (2; 3) und einer Prüfelektrode (5; 5') oder Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung bestimmt wird; und die Kapazitätsdifferenz der Kapazität zwischen der einen Messelektrode (2; 3) und der Prüfelektrode (5; 5') oder Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung und der Kapazität zwischen der anderen Messelektrode (2; 3) und der Prüfelektrode (5; 5') oder Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors ausgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kapazitätsbestimmung über eine Wheatstonesche Brückenschaltung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während einer Regenerationsphase des Sensors durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Kapazität bei einer konstanten Temperatur in einem Bereich von > 200 0C bis < 750 0C erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kapazität über eine Messung der Gesamtimpedanz und/oder eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung < 10 Hz beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom: ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3); - eine unter dem Messelektrodensystem (1) angeordnete isolierende Schicht (4); eine unter der isolierenden Schicht (4) angeordnete flächige Prüfelektrode (5, 5') aus einem elektrisch leitfähigen Material, die über eine Durchkontaktierung und/oder eine metallische Leitung (44), beispielsweise durch eine Aussparung (43) in der isolierenden Schicht (4), an eine der Messelektroden (2, 3) angeschlossen ist; und eine unter der flächigen Prüfelektrode (5, 5') angeordnete Heizvorrichtung (7) und/oder Temperaturmessvorrichtung, die durch eine Heizvorrichtungsisolation und/oder Temperaturmessvorrichtungsisolation von den Messelektroden (2, 3) und der Prüfelektrode (5, 5') elektrisch isoliert ist; umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Verfahrensschritt an die Messelektrode (2) an der die Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist und an die Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung, derart eine Spannung angelegt wird, dass der negative Pol der Spannung an der Messelektrode (2) anliegt, an der die Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist; und
- in einem zweiten Verfahrensschritt an die Messelektrode (2) an der die Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist und an die Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung, derart eine Spannung angelegt wird, dass der positive Pol der Spannung an der Messelektrode (2) anliegt, an der die Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist; und
- in einem dritten Verfahrensschritt an die Messelektrode (2) an der die Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist und an einer Messelektrode (3) an der keine Prüfelektrode (5,5') angeschlossen ist, derart eine Spannung angelegt wird, dass der negative Pol der Spannung an der Messelektrode (2) anliegt, an der keine Prüfelektrode (5, 5') angeschlossen ist; wobei jeweils der elektrische Stromfluss oder Spannungsabfall zwischen der jeweiligen Messelektrode (2, 3) und der Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung oder zwischen den beiden Messelektroden (2, 3) gemessen und als Maß für die Funktionsfähigkeit des Sensors, insbesondere der isolierenden Schicht (4) und/oder der Isolation der Heizvorrichtung und/oder der Isolation der Temperaturmessvorrichtung, ausgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor beim Unterschreiten einer maximalen Kapazitätsdifferenz oder bei einer geringen Kapazitätsdifferenz und gleichzeitigem Unterschreiten eines minimalen Kapazitätswertes zwischen den Messelektroden als nicht funktionsfähig gemeldet.
10. Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3) und - mindestens eine unter dem Messelektrodensystem angeordnete isolierende
Schicht (4) und mindestens eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete Prüfelektrode (5; 5'), dadurch gekennzeichnet, dass - die Prüfelektrode(n) (5; 5') mindestens ein gebogenes Leitungselement und/oder mindestens zwei lineare Leitungselemente (27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) umfasst, die derart in einer Ebene und miteinander elektrisch leitenden verbunden angeordnet sind, dass dadurch eine Fläche aufgespannt wird.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Leitungselement/e
(27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) der Prüfelektrode (5; 5') derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass eine interdigitale Prüfelektrode oder eine S-, T-, Z-, N-, H-, X- , M-, W-, E-, K-, Y-, C-, V-, U-, A-, O-, D-, B-, römisch-eins-, römisch-zwei-, römisch-drei-, römisch-fünf-, oder römisch-zehn- förmige Prüfelektrode ausgebildet wird.
12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitale Prüfelektrode/n derart ausgebildet ist/sind, dass die Länge des Kammrückens (35, 36) der Prüfelektrode (5; 5') und/oder der Abstand zwischen den Elektrodenarmen (39) der Prüfelektrode (5; 5') im wesentlichen der Länge des Kammrückens (37, 38) einer Messelektrode (2; 2) und/oder dem Abstand zwischen den Elektrodenarmen
(26) einer Messelektrode (2; 3) entspricht, wobei ein Kammrücken (35, 36, 37, 38) einer interdigitalen Elektrode (2; 3; 5; 5') ein Leitungselemente (27) ist, an dem zwei oder mehr, weitere, als Elektrodenarme (26) bezeichnete Leitungselemente (28, 29, 30, 31, 32, 33) elektrisch leitend und in einem oder mehreren Winkeln angeordnet sind.
13. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenarme (39) der interdigitalen Prüfelektrode/n (5; 5') kürzer als die Elektrodenarme (26) der Messelektroden (2; 3) sind und/oder die Kammrücken (35, 36) und/oder Elektrodenarme (39) der interdigitalen Prüfelektrode/n (5; 5') schmaler als die Kammrücken (37, 38) und/oder Elektrodenarme (26) der Messelektroden (2; 3) sind.
14. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (5; 5') an eine der Messelektroden (2; 3) über eine metallische Leitung (41, 42, 44) und/oder ein elektrisch leitfähiges Material, oder an das Gehäuse des Sensors über eine metallische Leitung und/oder ein elektrisch leitfähiges Material, oder - an eine Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung über eine innerhalb des Sensors angeordnete metallische Leitung (20, 21, 22) und/oder ein innerhalb des Sensors angeordnetes elektrisch leitfähiges Material, oder an eine Heizvorrichtung (7) oder Temperaturmessvorrichtung über eine außerhalb des Sensors verlaufende, metallische Leitung und/oder ein außerhalb des Sensors angeordnetes elektrisch leitfähiges Material, angeschlossen ist.
15. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Prüfelektrode (5') an eine erste Messelektroden (2) und eine zweite Prüfelektrode (5) an eine zweite Messelektrode (3) angeschlossen ist.
16. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (2; 3) und/oder die Prüfelektrode/n (5; 5') und/oder metallische/n Leitung/en (11; 12; 41; 42; 44) aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium ausgebildet sind.
17. Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3) und - mindestens eine unter dem Messelektrodensystem (1) angeordnete isolierende
Schicht (4) und eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete flächige Prüfelektrode (5; 5'), dadurch gekennzeichnet, dass - die Prüfelektrode (5; 5') aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem
Metall ausgebildet ist und über eine metallische Leitung (32; 33) und/oder ein elektrisch leitfähiges Material an das Gehäuse des Sensors oder an eine Temperaturmessvorrichtung angeschlossen ist.
18. Sensor zur Detektion von Partikel in einem Gasstrom, welcher zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist, umfassend ein auf der Oberfläche des Sensors angeordnetes Messelektrodensystem (1) mit mindestens zwei ineinander greifenden interdigitalen Messelektroden (2, 3) und - mindestens eine unter dem Messelektrodensystem (1) angeordnete isolierende
Schicht (4) und eine unter der/den isolierenden Schicht/en (4) angeordnete flächige Prüfelektrode (5; 5'), dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektrode (5; 5') aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Metall ausgebildet ist und über eine metallische Leitung (41; 42; 44) an eine der Messelektroden (2; 3) oder an eine Heizvorrichtung oder (7) angeschlossen ist, wobei kein Strommessinstrument durch die metallische Leitung zwischen die Prüfelektrode (5; 5') und die Messelektroden (2; 3) oder die Heizvorrichtung (7) geschaltet ist.
19. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Leitungselementen (27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) der Prüfelektrode/n (5; 5') aufgespannte Fläche oder die Fläche der flächigen Prüfelektrode (5; 5') in etwa der Fläche des Messelektrodensystems (1) entspricht.
20. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Leitungselementen (27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) der Prüfelektrode/n (5; 5') aufgespannte Fläche oder die Fläche der flächigen Prüfelektrode (5; 5') mittig unter der Fläche des Messelektrodensystems (1) angeordnet ist.
21. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin eine Schicht (36) aus einem Material mit einer relativen Permitivität εreiativ von > 10 umfasst, welche zwischen dem Messelektrodensystem (1) und einer ersten darunter angeordneten isolierenden Schicht (4) angeordnet ist.
22. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin zwei Streifen (46, 47) aus einem elektrisch leitenden oder leitfähigen Material umfasst, die über den Enden (25) der Elektrodenarme (26) der Messelektroden (2; 3) und zu den Elektrodenarmen (26) senkrecht angeordnet sind, wobei jeweils der über den Enden (25) der Elektrodenarme (26) der einen Messelektrode (2; 3) angeordnete Streifen (46; 47) elektrisch leitend mit der anderen Messelektrode (3; 2) verbunden ist.
23. Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem der Ansprüche 10 bis 22 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem
Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
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